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研究人员利用ESOI分析 展示SiC在电动汽车中的能效优势

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58京牌 ,生物物理经济研究所(BPEI)与Hedgerow Analysis咨询公司达成合作,以代表碳化硅技术领军企业Wolfspeed,评估碳化硅芯片在应用中的实施情况。BPEI是一家致力于将自然科学纳入经济分析和决策的非营利性组织,旨在将能源效率分析纳入不同策略评估中,以减少对化石燃料的依赖。

 (图片来源:BPEI)

具体来说,该研究评估比较碳化硅(SiC)金属有机半导体场效应晶体管(MOSFET)与硅基绝缘栅双极晶体管(IGBT)的净能量回报(net energy return)。BPEI表示,SiC微芯片是能源效率测试的重要案例。与传统芯片相比,将两种晶体结构结合至一种化合物中,可以产生独特的性能。而SiC有望在一众潜在应用中提高能源效率。然而,生产SiC芯片的能耗比硅芯片大,这就留下了一个问题,即从长远来看,哪一种技术能提高能源效率。

这项研究使用了BPEI专有的能源投资节能(ESOI)指标,该指标定义为产品生命周期内节约的能量与生产该产品所需的增量能量之比。ESOI通过量化“能源投资的生命周期能量回报”,对替代节能技术逐一进行比较。可以通过增加分子(使用产品所节省的能量)或降低分母(制造产品所需的边际能量),来实现ESOI最大化。

BPEI首先评估制造碳化硅与传统硅芯片所需的能源,然后评估电动汽车使用每种芯片,在使用寿命期内的能耗。该分析利用SimaPro软件,对每个设备生产过程中的每一次重要能量输入及相关的 CO2当量排放进行量化。

评估每种电动汽车的能耗,需要在选定测试周期中对车辆效率进行技术建模,例如全球统一轻型车辆测试循环(WLTC),以及关于不同车辆使用情况的其他模型。建模时将车辆的特定参数考虑在内,如重量和阻力。该ESOI分析量化硅和碳化硅芯片驱动车辆整个生命周期内的数千次环境和能源流动,涉及数十次能源生产和消耗模型迭代,并支持统计分析。

这项研究估计,对于预计使用寿命超过 20万英里的个人电动汽车,将硅IGBT替换为碳化硅MOSFET所节省的能源,比生产这些碳化硅器件所需的增量能量要大很多倍。

对典型的个人电动轿车而言,400V SiC汽车应用的ESOI约为7:1(400V碳化硅MOSFET vs.400V硅IGBT);800V实施案例约为13:1(800V碳化硅MOSFET vs. 400V硅IGBT)。这比400V的碳化硅MOSFET增加了85%,因为芯片表面积减少,相应的能量投入也减少了。

对于车队车辆(如出租车和送货车)来说,ESOI的收益甚至更大,这些车辆的占空比(duty cycles)更高,预计使用里程为50万英里。

该分析还强调,基于制造中心智能选址,有望节省大量燃料。WolfSpeed在纽约州北部的运营设施,通过水力发电来提供充足的清洁能源,通过减少发电所需的一次性化石能源,以及CO2排放,有可能将SIC技术的ESOI提高28%。

Wolfspeed首席技术官John Palmour表示:“我们相信下一代功率半导体技术将由碳化硅驱动。这些研究结果凸显碳化硅的优越性,以及采用更加节能的技术,对减少碳排放的直接影响,这将对环境产生积极影响。随着世界向更可持续的未来发展,需要高效材料为其提供动力。”

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