功率型器件在新能源汽车上的应用

王樱花

(随州职业技术学院，湖北 随州 441300)

新能源一般是指在新技术基础上加以开发利用的可再生能源，包括太阳能、生物质能、水能、风能、地热能、波浪能、洋流能和潮汐能，以及海洋表面与深层之间的热循环等；此外，还有氢能、沼气、酒精、甲醇等，而已经广泛利用的煤炭、石油、天然气、水能等能源，称为常规能源。随着常规能源的有限性以及环境问题的日益突出，以环保和可再生为特质的新能源越来越得到各国的重视。

新能源(New energy vehicles)汽车是指除汽油、柴油发动机之外所有其它能源汽车。包括燃料电池汽车、混合动力汽车、氢能源动力汽车和太阳能汽车等，其废气排放量比较低。据不完全统计，全世界现有超过400万辆液化石油气汽车，100多万辆天然气汽车。

1 发展现状及面临形式

随着国内25个新能源汽车试点城市的逐步推进，新能源汽车消费市场也已初步建立，其他城市也将成车企未来争夺的“主战场”[1]。为了改善人居环境，全球各国都制订了未来碳排放标准的目标，汽车电动化是实现碳排放目标的重要途径之一。为了实现既定碳排放的目标，很多国家相继出台了停售燃油车的计划，其中挪威2025年就要停止燃油车的销售。2030—2040年，还有一大批国家也要停售燃油车。新能源汽车是各国汽车产业发展的方向，这已毫无疑问了跟发达国家比，我国在减少碳排放方面还有一定差距[2]。但也可以看到，中国政府正在做出努力，已制订出了未来减少碳排放的具体目标。2018年4月中国工信部出台了双积分的政策。主要两个目的：降低油耗和建立发展新能源车的长效机制，通过这个政策推动电动车的发展。

从2017年积分情况可以看到，通过这几年的发展，中国的电动汽车取得了不错的成绩。但仍然有很多车企动作不够快，跟不上新能源车发展的步伐，压力仍然很大。可喜的是，在国家政策的引导下，越来越多的中国车企加入了新能源汽车行业。2018年7月份最新的电动汽车销量排行[3]。排在前几位的，除了比亚迪以外，还有上汽、北汽、吉利等，销量都相当不错，这都是国内的车企。在国际上，中国新能源汽车也占据了不错的位置。在传统汽车这块，中国品牌的车企在销量排行上能上榜的非常稀少。但在新能源汽车这里大家可以看到，北汽新能源、比亚迪、上汽荣威等都在销量上进入了世界前10。

新能源汽车不但在中国，在全球范围内都在维持着高速发展的态势。现在看到的是权威机构统计的有关电动汽车预测增长的情况。从预测增长情况看，到2025年之前基本上都是保持40%的增长率，增长速度相当惊人。从中国汽车增长比例来看，新能源汽车市场仍然是最大的一块，占据了全球新能源汽车近一半的市场。电动汽车的快速发展，给国产器件厂商提供了一个巨大的机会，当然也是一个挑战。

2 功率器件在汽车上的应用

在汽车中，用到功率器件的地方很多，其中最大的一块是电机驱动。除此之外，DC-DC变换、充电/逆变、电空调驱动等，都需要用到。不管是当前高压器件部分的需求，还是低压的需求，这些都要用到IGBT或者MOSFET。除了插电、纯电动之外，轻混、强混也都要用到。目前，电动汽车里面用的功率器件主要还是以IGBT为主。在5年之前，IGBT的应用主要还是停留在传统行业，新能源汽车这块是IGBT应用的全新领域，在2013年之前用的非常少。未来IGBT需求的增长点，除了传统行业一小部分外，更多的是来自于新能源汽车的增长。

2017-2025年大概有8年时间，可以预测IGBT的需求会是爆发性的增长[4]。除了IGBT以外，还会有一些新的功率器件慢慢引入，主要是因为国家政策的引导。未来对电动汽车要求是希望续航里程更长、能耗更低。从2018年国家最新补贴标准来看，补贴金额在续航里程低于300km的是在降低的。但是，续航大于300km的部分，补贴金额非但没有降，反而是升高的。

怎么样顺着这个政策的引导，让我们的车能够更好的满足市场的需要呢？主要有2个方面：

(1)电池方面。开发使用更高能量密度的电池。

(2)减少系统损耗，提高系统的效率。提高系统效率方面，碳化硅应用是一个大趋势。目前的研究结果看，应用碳化硅的器件，整车效率可以提升3%～5%。有一些公司给出的数据甚至可以提升8%。从实测的结果上看，3%到5%的整车系统的效率是完全没有问题的。

碳化硅器件当前成本很高，随着产业化的应用，本身成本会下降，这是必然的。另外，随着系统效率的提升，同样续航里程的情况下可以减少电池的使用，减少电池的使用可以降低车身的重量，反过来又可以提高续航里程。综合算下来，当碳化硅模块成本做到当前IGBT成本的2倍左右时，应用碳化硅的整车成本已经不差于IGBT的了。在高续航里程的车上，优势还更明显。2倍的成本目标在3～5年内是有机会实现的。现在有些车企已经开始尝试用碳化硅了。碳化硅相比传统的IGBT这块在效率方面有明显的优势，特别是在低负载的情况下。目前的碳化硅器件主要在太阳能逆变器、UPS这块应用的较多，但在未来几年，新能源汽车应该是碳化硅这块的最大增长点。

3 结语

(1)未来10年因为新能源汽车的爆发性增长，功率器件的需求也会呈现爆发式的增长。

(2)随着大批量应用，碳化硅的成本会急剧下降，高续航里程，大于400km这块的纯电动汽车肯定首先会被碳化硅替代。因为高续航里程节约的电池成分比较多一点，在这块成本方面不是问题。

(3)未来3～5年，IGBT、碳化硅MOSFET的产能预计会成为新能源汽车发展的最大瓶颈。新能源汽车电机虽然是重要部件，但不会是一个瓶颈，瓶颈是电池和功率器件。电池这几年产能扩充非常厉害，目前来看电池产能扩充已经领先于新能源汽车销量。所以，电池这块我也不认为是个问题，真正问题是功率器件方面。功率器件产能扩张周期比较长，而且功率器件目前主要还是在国外的几大巨头手中，他们对这块比较保守。他们的企业文化决定了不会盲目地做这些扩张，只有看到实实在在的需求时才会考虑扩张。未来3～5年碳化硅MOSFET将会是制约新能源汽车发展的最大瓶颈，很多产品销量上不去，就是因为买不到功率器件，这也给国内的企业提供了巨大的机会。