Электрические и гибридные транспортные средства полагаются на инверторы, чтобы обеспечить передачу достаточного количества электроэнергии от аккумулятора к двигателю во время работы транспортного средства. В обычных инверторах используются компоненты, изготовленные из полупроводникового материала кремния.
Теперь исследователи из Центра систем распределения и управления будущей возобновляемой электрической энергии (FREEDM) в штате Северная Каролина разработали инвертор с использованием готовых компонентов, изготовленных из карбида кремния (SiC) полупроводникового материала с широкой запрещенной зоной — с многообещающими результатами.
«Наш прототип инвертора из карбида кремния может передавать 99 процентов энергии на двигатель, что примерно на два процента выше, чем у лучших кремниевых инверторов при нормальных условиях», — говорит Икбал Хусейн, заслуженный профессор электротехники и вычислительной техники ABB в NC State and директор Центра FREEDM.
«Не менее важно, что карбидокремниевые инверторы могут быть меньше и легче своих кремниевых аналогов, что еще больше улучшает ассортимент электромобилей», — говорит Хусейн, соавтор двух статей, связанных с этой работой. «И новые достижения, которые мы сделали в компонентах инверторов, должны позволить нам сделать инверторы еще меньше."
Диапазон — важная проблема, потому что так называемое «беспокойство по поводу дальности» является основным фактором, ограничивающим общественное признание электромобилей. Люди боятся, что не смогут уехать слишком далеко или застрянут на обочине дороги.
Новый инвертор на основе SiC способен передавать 12.1 киловатт мощности на литр (кВт / л) — близко к U.S. Министерство энергетики поставило перед собой цель разработать инверторы, способные обеспечить 13.4 кВт / л к 2020 г. Для сравнения, электромобиль 2010 года смог достичь только 4 баллов.1 кВт / л.
«Обычные кремниевые инверторы, вероятно, улучшились с 2010 года, но они все еще далеки от 12.1 кВт / л », — говорит Хусейн.
Плотность мощности новых материалов SiC позволяет инженерам делать инверторы и их компоненты, такие как конденсаторы и катушки индуктивности, меньше и легче.
«Но, честно говоря, мы почти уверены, что сможем улучшить плотность энергии, которую мы показали с этим прототипом», — говорит Хусейн.
Это связано с тем, что новый прототип инвертора был изготовлен с использованием готовых компонентов SiC — и исследователи FREEDM недавно создали новые силовые компоненты SiC сверхвысокой плотности, которые, как они ожидают, позволят им приблизиться к 13 классам DOE.Целевой показатель 4 кВт / л после включения в инверторы следующего поколения.
Более того, конструкция нового силового компонента более эффективно рассеивает тепло, чем предыдущие версии.
Это может позволить создавать инверторы с воздушным охлаждением, устраняя необходимость в громоздких (и тяжелых) системах жидкостного охлаждения.
«Мы прогнозируем, что с помощью нового модуля сможем сделать инвертор с воздушным охлаждением мощностью до 35 кВт для использования в мотоциклах, гибридных транспортных средствах и скутерах», — говорит Хусейн. «И это повысит плотность энергии даже при использовании с системами жидкостного охлаждения в более мощных транспортных средствах."
Текущий прототип инвертора SiC был разработан для увеличения мощности до 55 кВт — такой мощности вы можете увидеть в гибридном автомобиле. В настоящее время исследователи увеличивают его мощность до 100 кВт — сродни тому, что вы бы видели в полностью электрическом транспортном средстве — с использованием готовых компонентов. И они также находятся в процессе разработки инверторов, в которых используется новый силовой компонент SiC сверхвысокой плотности, который они разработали на месте.
Доклад о новом инверторе «Методология проектирования планаризованного тягового привода EV / HEV с высокой плотностью мощности с использованием силовых модулей SiC» будет представлен на конгрессе и выставке преобразования энергии IEEE (ECCE), которая состоится в сентябре.
18-22 в Милуоки. Ведущий автор статьи — Дхрубо Рахман, доктор философии.D. студент NC State. Соавторами статьи являются Адам Морган, Ян Сюй и Руи Гао, доктор философии.D. студенты в штате Северная Каролина; Венсонг Ю и Дуглас Хопкинс, профессора-исследователи Департамента электротехники и вычислительной техники штата Северная Каролина; и Хусейн.
На ECCE также будет представлен доклад о новом силовом компоненте SiC сверхвысокой плотности "Разработка микросхемы питания сверхвысокой плотности на шинном модуле".