即將爆發(fā)？汽車無線充電效率達97%，SiC竟如此關鍵！

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2022-03-17 08:38:47 3

最近，美國一家機構宣布，他們研發(fā)了效率高達97%的無線充電方案，效率比有線方案還高，汽車有望15分鐘就充滿電。而其中的關鍵就包括采用了全SiC模塊，以及使用創(chuàng)新的封裝技術和材料。

早前，寶馬、奔馳、保時捷已推出相關車型，豐田、現(xiàn)代、比亞迪等眾多車企也都有相關研發(fā)，但無線充電進展較慢。這項技術的出現(xiàn)能否帶來革命性變化？能否加速汽車無線充電的商業(yè)化進程？

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效率高達97%

15分鐘充滿電？

5月18日，美國橡樹嶺*實驗室（ORNL）在其官網(wǎng)發(fā)布消息稱，他們已成功演示了120kW無線充電系統(tǒng)，效率高達97%。

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據(jù)介紹，該項目早在2013年就開始了，由ORNL牽頭，并與豐田汽車、Evatran、克萊姆森大學、思科、杜克能源公司和國際整流器等進行合作，同時得到了美國能源部1900萬美元（約1.2億人民幣）的支持。

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2016年3月，ORNL*在豐田RAV4上展示了20kW的無線充電系統(tǒng)，其充電效率高達90%；2018年10月，ORNL展示了一種120kW的車輛無線充電系統(tǒng)，效率高達97%，是以前ORNL 技術的6倍。

為了推進美國能源部的極快充電目標，接下來他們將開發(fā)270kW，甚至350-400kW的系統(tǒng)，電動汽車的充電時間有望縮短至15分鐘以內，比有線充電方案還快，以保時捷Taycan為例，采用270 kW帶線充電方式，從5%充到88%需要22分鐘。

除了定點無線充外，ORNL還將開發(fā)動態(tài)無線充電系統(tǒng)，使汽車在專門配備的道路上行駛時能夠自動通電，從而能夠降低電網(wǎng)的負荷。

SiC效率高達98%

封裝、材料大不同

SiC逆變器是ORNL無線充技術實現(xiàn)高效率的關鍵。

ORNL在2014年發(fā)表的論文中提到，由于無線功率傳輸系統(tǒng)有5、6個電源轉換級，因此轉換效率至關重要，每級都需要盡可能高效，“在這種情況下，SiC逆變器至關重要”——它們可以進行高頻操作，可以在相對較高的溫度下運行，從而降低了冷卻組件的成本和尺寸。

該無線充采用的是全SiC功率模塊，從芯片和互連布局可以看到，該模塊包括4顆SiC MOSFET和4顆SiC二極管管芯。

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同時，為了實現(xiàn)安全可靠的250°C操作，該模塊還采用了專門的封裝技術和材料。其封裝采用了高溫引線鍵合結構，電氣互連是通過將鋁線接合在芯片頂部，并將芯片焊接在DBC基板的銅跡線上來實現(xiàn)的。通過這樣做，大約減少了30%的寄生電感。為了進一步減輕功率模塊的重量，模塊也沒有采用模制塑料。

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他們采用堅固的焊接層來替代塑料外殼的機械支撐，焊接層材料選擇了80%Au-20%Sn，因為它可以承受30 MPa的應力，并且熔化溫度最合適。

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事實證明，ORNL開發(fā)的SiC逆變器在每個開關頻率（22kHz、48kHz、85kHz和142kHz）下的效率達到98%左右。

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從2014年以來，碳化硅模塊的效率都非常優(yōu)秀，但無線充電系統(tǒng)的整體效率卻不到92%。因此，為了提高系統(tǒng)整體效率，ORNL還開發(fā)了獨特的多相磁線圈。

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這種線圈耦合設計包含一個三相系統(tǒng)，該系統(tǒng)在線圈層之間具有旋轉磁場，好處是可以在更小的線圈中實現(xiàn)更高的功率密度——即使充電功率高達300 kW，其占地面積也比其他無線充電技術小得多。

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另外，ORNL還采用納米晶體材料和鋁，創(chuàng)造出一種新型磁性金屬混合屏蔽技術。

寶馬、奔馳、中興在推

無線充電商業(yè)化加速？

其他企業(yè)在無線充電效率方面也有不俗的表現(xiàn)，中興新能源汽車有限公司已經(jīng)將充電效率從原來的低于90%提高到93%左右。美國WiTricity的無線充電系統(tǒng)Drive 11效率為90%～93%。

2018年，寶馬率先發(fā)布了業(yè)內*款無線充電混動車型BMW 530e，搭載了3.3kW的無線充電系統(tǒng)。此后，梅賽德斯-奔馳的S級插電式混合動力車也開發(fā)了無線充電版本。

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據(jù)介紹，Evatran公司也在為特斯拉Model S、寶馬I3、日產(chǎn)LEAF、雪佛蘭volt等車型提供無線充電技術支持。

國內方面，目前從事電動汽車無線充電的企業(yè)有華為、中興新能源、中惠創(chuàng)智等公司和科研院校。上汽榮威、比亞迪、北汽新能源等主流車企也都對電動汽車無線充電系統(tǒng)進行了研發(fā)測試，但目前國內市場還沒有一款支持無線充電的量產(chǎn)車型。

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但北京有感科技有限責任公司董事長王哲曾表示，在國內市場，已有多家國內外企業(yè)率先跨入這一領域，電動汽車無線充電的商業(yè)化競爭已拉開序幕。

WiTricity大中華區(qū)總經(jīng)理孫立也曾透露，WiT-ricity與中國幾家企業(yè)進行電動汽車無線充電技術合作，開展技術授權使用，加速電動汽車無線充電的商用化。

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