導入
近年、新しいエネルギー車両は、世界中の主流の自動車市場で大きな進歩を遂げています。欧州自動車製造業者協会ACEAのデータによると、2023年1月から10月までのEU諸国の新しいエネルギー車（BEV+ PHEV）の累積登録量約1.94百万でした。ユニット、前年比で約32％の増加、20％以上の浸透率。中国旅客自動車協会が発表したデータによると、同時期の中国の新しいエネルギー車両小売売上高は5962百万台、前年比で34.7％の増加、34.5％の浸透率に達しました。
市場の拡大と関連する産業チェーンの成熟により、新しいエネルギー車両は長い間、政策駆動型から製品主導型に変わりました。近年の新しいエネルギー電気自動車製品から、自律運転、インテリジェントコックピット、クルージング範囲、電気駆動システムのパフォーマンスに関して、大きな改善があったこともわかります。
メインドライブインバーターは、メインドライブモーターを制御するための重要なコンポーネントです。バッテリーパックのDC電力をドライブモーターのAC電力に変換します。変換の効率は、車両のエネルギー消費パフォーマンスを大部分決定します。同時に、高性能メインドライブモーターと組み合わせたメインドライブインバーターのピークパワーも、車両の全体的な性能を決定します。
電気自動車のインバーターとは何ですか？
電気自動車電源インバーターは、調整可能な周波数を持つ直接電流（バッテリーや貯蔵ボトルで生成されるなど）を交互の電流（220V、50Hzの正弦波など）に変換するデバイスです。生命には2種類のパワーソケットが使用されています：220V/110V。交互の電流を保存する方法はありませんが、直接電流をバッテリーに保存し、インバーターを使用してACをDCに変換することができます。高い電圧と新しいエネルギーパワーの高出力のため電気モーター、ブラシ整流子を必要としないACモーターは、より高い効率とより長い寿命を考慮して使用されます。交互の電流を介して固定子に回転磁場を生成することができ、それによりブラシ整流子の制約を取り除き、回転磁場の作用下で必要な速度とトルクに到達するためにローターを駆動できます。エネルギー変換装置であるパワーモーターインバーターは、パワーバッテリーの高電圧直接電流をパワーモーターに必要な交互の電流に変換します。
3。インバーターは電気自動車でどのように機能しますか？
電気自動車のインバーターの作業原則
同時に、交互の電流を介して電力モーターインバーターによって生成される回転磁場は、ローターの永久磁場と正確に同期するか、ローターの誘導磁場と制御的に非同期に同期する必要があります。ローター位置センサーは、パワーモーターインバーターの信頼できる動作の中核です。ローター位置センサーは、ロータリートランスの原理に基づいており、ステーターに固定された複数の誘導コイルとローターに固定された金属カムディスクで構成されています。各誘導コイルには、励起巻線と2つの二次巻線があります。
4.電気自動車電源インバーターの主な機能
インバーターには、電気自動車に3つの主要な機能があります。
1.バッテリーのDC電力を3相AC電源に変換して、モーターを駆動します。
2。インバーターを介して電圧と周波数を変更して、モーターのトルクと速度を変更します。
3.機械エネルギーを電気エネルギーに変換して、エネルギー回収中にバッテリーを充電します。
電気自動車のAC誘導モーター
ハイブリッドおよび純粋な電気自動車では、テスラ、トヨタカローラハイブリッド、BAIC EV160などのモデルで見られるように、インバーターが一般的に使用されています。電気自動車で使用される電気モーターは、AC電源によって駆動されます。 AC電力の周波数と振幅を変更することにより、モーターの速度とパワーを調整できます。駆動電圧の周波数が高いほど、モーターの速度が速く、駆動電圧の振幅が大きくなるほど、モーターの出力が強くなります。ただし、AC電源を保存する方法はありません。新しいエネルギー車両のバッテリーには、ACモーターを駆動するために直接使用できないDCパワーがあります。したがって、車のバッテリーパックのDC電源をモーターが使用できるAC電源に変換するには、コンバーターが必要です。
車両インバーター電源の設計には、2つの主要なポイントがあります。 1つはバッテリー電圧を220Vに増やすことであり、もう1つは周波数が50Hzでなければならないことです。電圧を12Vから220Vに増加させるには、ブーストチョッパー回路が使用されます。ブーストチョッパーサーキットは、これを達成するために使用されます。出力電圧は入力電圧よりもはるかに高いため、ブースト係数は約18です。ブースト回路の動作原理から、デューティサイクルが約0.95であることは簡単にわかります。理論的には実現可能ですが、ブースト回路を実際に実装することは困難です。したがって、変圧器の助けを借りてブーストを達成する必要があります。トランスが産業周波数変圧器を使用する場合、出力電力が同じである場合、体積と重量は高周波トランスの体積よりもはるかに大きくなります。したがって、高周波トランスと高周波変換回路が使用されます。高周波トランスの助けを借りて、12Vの電圧が220Vに変換され、出力周波数も高頻度でなければなりません。 220Vメインの電気を使用する多くの電気デバイスは、高周波220V ACで直接使用することはできません。高周波DC電力を50Hz ACに変換するには、さらなる変換が必要です。構造全体から、設計された回路には2つの部分があります。最初の部分は、高周波トランスと対応する変換回路の助けを借りて、12V DCを220V高周波ACに変換し、2番目の部分は高周波220V ACを変換します。 50Hz 220V ACに。
5。電気電力インバーターの利点
純粋な電気自動車のインバーターは、モーターコントローラー（MCU）にあります。インバーターに加えて、MCUにはコントローラーも組み合わされています。 MCUは、電力システム全体のコントロールセンターです。コントローラーは、ドライブモーターの需要信号を受信します。車両がブレーキまたは加速すると、コントローラーはインバーターの周波数を制御して車を動かします。インバーターは、パワーバッテリーによってDC電力出力を受け取り、3相AC電力に反転して動作のためにモーターに供給し、電気自動車のブレーキプロセス中に電気エネルギーのブレーキと回復の役割を果たします。下の図に示すように、インバーターは6つのIGBTで構成されており、Xモデルの配置はSA-SCです。モーターの各位相出力ライン（IA、IB、およびIC）と正と負のDCラインは、IGBTに接続されています。インバーターのスイッチング要素IGBTは、温度が150度を超える場合に機能できないため、空冷または水冷測定を使用する必要があります。車がドライブモーターの過熱、駆動モーターのクーラント温度の過熱など、ドライブモーターシステムの故障を報告した場合、障害は障害コードの特定の意味を読むために診断機器を使用する必要があります。ダッシュボードに表示されることはあまり具体的ではありません。
6。車両を超えて：他のアプリケーション
インバーターの適用は非常に広範であり、複数のフィールドと特定のアプリケーションシナリオをカバーしています。以下は、主要なインバーターアプリケーションエリアの一部です。太陽光発電発電システム、太陽光発電、風力発電、UPSシステム、航空分野など。
7。電気自動車電力インバーター技術の新たな傾向
電気自動車のメインドライブ（メイン）インバーターは、DCバッテリー電圧をAC電圧に変換し、電気牽引モーターのAC電圧要件を満たし、車両をスムーズに駆動できるようにします。メインドライブインバーター設計の最新トレンドには次のものがあります。
電力の増加：インバーターの出力が大きいほど、車両が加速し、ドライバーに対する応答性が高くなります。
効率を最大化する：インバーターによって消費される電気の量を最小化して、車両を駆動するために利用可能な電力を増加させます。
電圧の増加：最近まで、400Vのバッテリーは電気自動車で最も一般的な仕様でしたが、自動車産業は電流、ケーブルの厚さ、重量を減らすために800Vに向かっています。これを行うには、電気自動車のメインドライブインバーターは、この高い電圧を処理し、適切なコンポーネントを使用できる必要があります。
重量とサイズを削減する：SICは、シリコンベースのIGBTよりも電力密度（kW/kg）が高くなっています。電力密度が高いほど、システムサイズ（kw/l）を削減し、メインドライブインバーターの重量を減らしながら、モーターの負荷を減らします。車両の重量の削減は、同じバッテリーで車両の走行距離を延長するのに役立ち、ドライブトレインのサイズを縮小し、乗客とトランクのために利用可能なスペースを増やします。
シリコンと比較して、炭化シリコンには材料特性の点でいくつかの利点があり、メインドライブインバーターの設計に適した選択肢となっています。 1つ目は、9.5 Mohsの硬度に達する物理的硬度であり、シリコンは6.5 Mohsの硬度であるため、シリコン炭化物は高圧焼結に適しており、機械的完全性が高くなります。さらに、炭化シリコン（4.9W/cm.k）の熱伝導率は、シリコン（1.15 w/cm.k）の4倍以上であるため、熱をより効果的に伝達し、より高い温度で確実に動作させることができます。炭化シリコン（2500kv/cm）の故障電圧は、シリコン（300kv/cm）の8倍以上であり、より速くオンとオフにできるワイドバンドギャッププロパティを備えているため、ますます高電圧に適した選択肢になります。 （800V）電気自動車の建築。同時に、より広いバンドギャップ電圧は、シリコンよりも損失が低いことを意味します。 SIC-Mosfetには、尾電流がなく、キャリアの移動度が高く、デバイスのスイッチング損失が減少します。 SI-IGBTモジュールは、高速回復ダイオード（FRD）を統合します。これは、電源を切ると回復電流と尾電流を逆回復し、スイッチング速度が制限され、大規模なターンオフ損失が発生します。 SIC材料は、同じ電力レベルで電流密度が高く、パッケージサイズが小さくなっています。
8。電気自動車の電力インバーター開発における課題
トラクションインバーターでは、マイクロコントローラー（MCU）システムの脳は、モーターコントロールの実行、アナログ間コンバーター（ADC）を介して電圧と電流をサンプリングし、磁気コアを使用したフィールド指向のコントロール（FOC）アルゴリズムの計算、および駆動電力フィールドエフェクトトランジスタ（FET）を駆動するパルス幅変調（PWM）信号を使用します。
MCUの場合、800Vのトラクションインバーターへの移行は、3つの課題をもたらします。1。レイテンシの低いリアルタイム制御パフォーマンス要件
高温環境でも、私たちのソリューションは依然として効果的であり、小規模インバーターの適用を可能にします。現在、電気およびハイブリッド車の設計では、メーカーは、エネルギーの持久力、電力、信頼性、費用対効果などの問題を専門知識と経験に効果的に解決し、業界で広く認識されています。
バッテリーパック開発の分野のOEMの数人の上級エンジニアと話し合い、電気自動車の最適な駆動範囲は約400キロメートルであり、サイズと重量を減らすことができれば、電気自動車がより効率的になる可能性があると提案しました。このビューに基づいて、OEMは意識的にバッテリーの数を減らして、範囲の要件を満たしている間、車をより軽くし、より費用対効果の高いものにします。
より多くの電気自動車が生産されると、設計動向はSICと800Vテクノロジーにシフトしますが、モーター制御性能を改善し、トラクションインバーターの機能的安全性要件を満たす必要があります。
9。電気自動車インバーターの将来の見通し
一部の自動車メーカーは、SICテクノロジーに移行するために半導体/チップサプライヤーとのパートナーシップを確立しています。
Geely：2021年、Rohm SemiconductorとGeelyは、SICパワーデバイスを開発するためのコラボレーションを発表しました。パートナーシップの下で、Geelyは、電気自動車の範囲を拡張することを目指して、ドライブインバーターとオンボード充電システムでRohmのSICパワーデバイスを使用します。
ジェネラルモーターズ：2021年、ゼネラルモーターズは、WolfSpeed、Inc。とサプライヤー契約に署名しました。この場合、WolfSpeedはGMのUltium Drive MotorsにSICパワーデバイスを提供します。
Mercedes-Benz：2022年、Semiconductorで、インバーター用のSICテクノロジーがメルセデスベンツが全電気視力EQXX電気自動車で使用していることを発表しました。
Volkswagen：2023年1月、フォルクスワーゲンはOnsemiとの戦略的パートナーシップを確立しました。契約によれば、OnsemiはフォルクスワーゲンにSICパワーモジュール（Elitesic Powerモジュール）とフォルクスワーゲンの次世代電気自動車の技術を提供します。
グローバルインバーターの総需要は、2023年の4399万台から2034年の1億2,000万台に増加し、複合年間成長率は9.55％です。現在、IGBTインバーターは、世界中のあらゆる種類の電気自動車で最も広く使用されているインバータータイプであり、Si Mosfetが続きます。ただし、BEVの需要の増加と800Vアーキテクチャへのシフトにより、SICインバーターの需要は増加する可能性があります。 2034年までに、SICおよびIGBTインバーターの市場シェアは、それぞれ44％と45％に達し、ほぼ均等に分割されます。
10。結論
改善された効率と拡張運転範囲の需要が続くにつれて、自動車産業は、自動車メーカーの電気自動車の大部分が800Vの建築に切り替わるのを目撃します。スイッチング効率が高く、SICインバーターの損失が低いため、需要は強くなり、広く採用されます。 SICインバーターの広範な採用により、多くの自動車メーカーやサプライヤーが、SICの供給を確保するために半導体企業と垂直に統合することを選択するようになります。