功率型器件在新能源汽車上的應用

王櫻花

(隨州職業技術學院，湖北 隨州 441300)

新能源一般是指在新技術基礎上加以開發利用的可再生能源，包括太陽能、生物質能、水能、風能、地熱能、波浪能、洋流能和潮汐能，以及海洋表面與深層之間的熱循環等；此外，還有氫能、沼氣、酒精、甲醇等，而已經廣泛利用的煤炭、石油、天然氣、水能等能源，稱為常規能源。隨著常規能源的有限性以及環境問題的日益突出，以環保和可再生為特質的新能源越來越得到各國的重視。

新能源(New energy vehicles)汽車是指除汽油、柴油發動機之外所有其它能源汽車。包括燃料電池汽車、混合動力汽車、氫能源動力汽車和太陽能汽車等，其廢氣排放量比較低。據不完全統計，全世界現有超過400萬輛液化石油氣汽車，100多萬輛天然氣汽車。

1 發展現狀及面臨形式

隨著國內25個新能源汽車試點城市的逐步推進，新能源汽車消費市場也已初步建立，其他城市也將成車企未來爭奪的“主戰場”[1]。為了改善人居環境，全球各國都制訂了未來碳排放標準的目標，汽車電動化是實現碳排放目標的重要途徑之一。為了實現既定碳排放的目標，很多國家相繼出臺了停售燃油車的計劃，其中挪威2025年就要停止燃油車的銷售。2030—2040年，還有一大批國家也要停售燃油車。新能源汽車是各國汽車產業發展的方向，這已毫無疑問了跟發達國家比，我國在減少碳排放方面還有一定差距[2]。但也可以看到，中國政府正在做出努力，已制訂出了未來減少碳排放的具體目標。2018年4月中國工信部出臺了雙積分的政策。主要兩個目的：降低油耗和建立發展新能源車的長效機制，通過這個政策推動電動車的發展。

從2017年積分情況可以看到，通過這幾年的發展，中國的電動汽車取得了不錯的成績。但仍然有很多車企動作不夠快，跟不上新能源車發展的步伐，壓力仍然很大?？上驳氖牵趪艺叩囊龑?，越來越多的中國車企加入了新能源汽車行業。2018年7月份最新的電動汽車銷量排行[3]。排在前幾位的，除了比亞迪以外，還有上汽、北汽、吉利等，銷量都相當不錯，這都是國內的車企。在國際上，中國新能源汽車也占據了不錯的位置。在傳統汽車這塊，中國品牌的車企在銷量排行上能上榜的非常稀少。但在新能源汽車這里大家可以看到，北汽新能源、比亞迪、上汽榮威等都在銷量上進入了世界前10。

新能源汽車不但在中國，在全球范圍內都在維持著高速發展的態勢。現在看到的是權威機構統計的有關電動汽車預測增長的情況。從預測增長情況看，到2025年之前基本上都是保持40%的增長率，增長速度相當驚人。從中國汽車增長比例來看，新能源汽車市場仍然是最大的一塊，占據了全球新能源汽車近一半的市場。電動汽車的快速發展，給國產器件廠商提供了一個巨大的機會，當然也是一個挑戰。

2 功率器件在汽車上的應用

在汽車中，用到功率器件的地方很多，其中最大的一塊是電機驅動。除此之外，DC-DC變換、充電/逆變、電空調驅動等，都需要用到。不管是當前高壓器件部分的需求，還是低壓的需求，這些都要用到IGBT或者MOSFET。除了插電、純電動之外，輕混、強混也都要用到。目前，電動汽車里面用的功率器件主要還是以IGBT為主。在5年之前，IGBT的應用主要還是停留在傳統行業，新能源汽車這塊是IGBT應用的全新領域，在2013年之前用的非常少。未來IGBT需求的增長點，除了傳統行業一小部分外，更多的是來自于新能源汽車的增長。

2017-2025年大概有8年時間，可以預測IGBT的需求會是爆發性的增長[4]。除了IGBT以外，還會有一些新的功率器件慢慢引入，主要是因為國家政策的引導。未來對電動汽車要求是希望續航里程更長、能耗更低。從2018年國家最新補貼標準來看，補貼金額在續航里程低于300km的是在降低的。但是，續航大于300km的部分，補貼金額非但沒有降，反而是升高的。

怎么樣順著這個政策的引導，讓我們的車能夠更好的滿足市場的需要呢？主要有2個方面：

(1)電池方面。開發使用更高能量密度的電池。

(2)減少系統損耗，提高系統的效率。提高系統效率方面，碳化硅應用是一個大趨勢。目前的研究結果看，應用碳化硅的器件，整車效率可以提升3%～5%。有一些公司給出的數據甚至可以提升8%。從實測的結果上看，3%到5%的整車系統的效率是完全沒有問題的。

碳化硅器件當前成本很高，隨著產業化的應用，本身成本會下降，這是必然的。另外，隨著系統效率的提升，同樣續航里程的情況下可以減少電池的使用，減少電池的使用可以降低車身的重量，反過來又可以提高續航里程。綜合算下來，當碳化硅模塊成本做到當前IGBT成本的2倍左右時，應用碳化硅的整車成本已經不差于IGBT的了。在高續航里程的車上，優勢還更明顯。2倍的成本目標在3～5年內是有機會實現的。現在有些車企已經開始嘗試用碳化硅了。碳化硅相比傳統的IGBT這塊在效率方面有明顯的優勢，特別是在低負載的情況下。目前的碳化硅器件主要在太陽能逆變器、UPS這塊應用的較多，但在未來幾年，新能源汽車應該是碳化硅這塊的最大增長點。

3 結語

(1)未來10年因為新能源汽車的爆發性增長，功率器件的需求也會呈現爆發式的增長。

(2)隨著大批量應用，碳化硅的成本會急劇下降，高續航里程，大于400km這塊的純電動汽車肯定首先會被碳化硅替代。因為高續航里程節約的電池成分比較多一點，在這塊成本方面不是問題。

(3)未來3～5年，IGBT、碳化硅MOSFET的產能預計會成為新能源汽車發展的最大瓶頸。新能源汽車電機雖然是重要部件，但不會是一個瓶頸，瓶頸是電池和功率器件。電池這幾年產能擴充非常厲害，目前來看電池產能擴充已經領先于新能源汽車銷量。所以，電池這塊我也不認為是個問題，真正問題是功率器件方面。功率器件產能擴張周期比較長，而且功率器件目前主要還是在國外的幾大巨頭手中，他們對這塊比較保守。他們的企業文化決定了不會盲目地做這些擴張，只有看到實實在在的需求時才會考慮擴張。未來3～5年碳化硅MOSFET將會是制約新能源汽車發展的最大瓶頸，很多產品銷量上不去，就是因為買不到功率器件，這也給國內的企業提供了巨大的機會。