Progress on Tech n o l ogy and Product for New En e rgy Vehicles by BYD
中国石化北京北化院燕山分院冯普凌(Feng Puling)
摘要：目前，新能源和数字化的发展改变了现有运输工具的框架。综述了当前国内外新能源汽车相关技术及市场现状，介绍了中国新能源汽车企业比亚迪的概况。分析了比亚迪在IGBT功率半导体、磷酸铁锂电池、DM双模混合动力汽车等方面的新技术及新产品开发进展。总结了比亚迪在远见性、创新性等方面的竞争优势，在技术集成化、产品多样化等方面，对我国相关产业提岀了建议。
关键词：比亚迪；电动汽车；IGBT；锂电池；混合动力
Abstract:New energy and digitalization are bringing changes in framework of modern transportation tool.This article outlined tech no logy mnd market with respect to new energy vehicle at home and abroad rece ntly,and presented profile of a Chinese new energy vehicle company BYD.Furthermore,it highlighted progress on novel tech n o l ogy and product application in c ludi n g In s ulated Gate Bipolar Tra n sistor,Lithium iron phosphate battery and plug hybrid electric vehicle with Dual Mode system by BYD.The results summarized the competitive advantages of BYD such as foresight grid innovati o n,etc.
The findings also suggested improving integrated tech no l ogy and diversity of product on domestic related industry.
Keywords:BYD;Electric Vehicle;IGBT;Lithium Battery;Hybrid Power
【中图分类号】U469.72【文献标识码】B【文章编号】1561-0330(2019)09-063-07
1公司概况
目前，全球面临着能源危机和可持续性发展的共同
问题。在这一背景下，新能源和数字经济改变了固有运
输工具的框架。自2015年起，我国已连续4年成为全
球最大新能源汽车销量国。2018年，我国新能源汽车
销量125.6万辆巴同比增长61.7%，占世界的62.2%（见
图1）。
我国新能源汽车企业比亚迪创立于1995年，从电池制造起步。2003年成为全球第二大充电电池生产商，同年进入汽车行业，并布局新能源产业。至2016年11月，比亚迪在全球共建立了30个生产基地，员工总数达22万人。
在新能源汽车领域，比亚迪是目前世界上唯一同时
图12015-2018年世界及中国新能源汽车销量（万辆）
掌握电池、电机、电控等电动车核心技术以及拥有成熟市场推广经验的企业。
2008年开始，比亚迪陆续推出新能源汽车产品何。2018年，比亚迪的产品占我国新能源汽车市场总销量
WWW.CA168.COM
63
的19.7%，秦、e5、宋等牌号进入国内新能源汽车销量排行前十。
比亚迪生产的纯电动公交车，除了满足国内的需求外，足迹遍布50多个国家，尤其是在美国和英国，比亚迪分别占据约80%和50%的纯电动大巴市场份额[3I o
2技术进展及新产品开发
近年来，比亚迪凭借IGBT芯片技术、锂电池技术、DM混动汽车技术等核心工艺，打造出了比亚迪技术品牌。
2.1IG盯技术
2.1.1国内外技术及市场概况
绝缘栅双极型晶体管(IGBT,Insulated Gate Bipolar Transistor)，是一种大功率的电力电子器件[4]，是能源转换与传输的核心器件，被称为电力电子装置的"CPU”°IGBT模块是由IGBT与续流二极管芯片(FWD)通过特定的电路桥接封装而成的模块化半导体产品。
IGBT在电动汽车、轨道交通、智能电网、航空航天等领域应用极广。在电动车领域，IGBT直接控制驱动系统直、交流电的转换，决定了车辆的扭矩和最大输出功率，占整车成本的7-10%，是除动力电池之外成本第二高的元件。
目前，世界市场上的IGBT技术已发展到了第七代。第一、二代是平面型结构，第三代是沟槽型(Trench)构造，第四代是非穿通型(NPT)型，第五代电场截止型(FS)增加了电场终止层，硅片厚度较NPT减薄了约1/3，降低了关断时间和功率损耗。第六代沟槽-电场截止型(FS-Trench)改进了沟槽栅结构，提高了电压耐受度，芯片面积、功耗都有所减少。第七代发展到了载流子存储层结构IGBT(CSTBT,carrier stored trench gate bipolar transistor)，尺寸减小、厚度变薄、功耗降低[5I o
在市场方面，IGBT产品曾经一直被德国、日本等国家垄断，德国英飞凌主要占领电动汽车用的IGBT 市场，日本三菱曾经垄断包括中国高铁在内的高速机车用IGBT。
我国IGBT器件90%依赖进口，近年来发展迅速，具有代表性的企业是比亚迪和中车时代。比亚迪的产品可以满足电动汽车对IGBT的需求。中车时代主要产品为1200V-6500V高压模块，可满足当前中国高铁的需求。
2.1.2比亚迪IGBT的开发和应用
2005年，比亚迪正式启动IGBT开发项目，2009年，成功开发出IGBT1.0技术固。2017年，推出了IGBT4.0技术。
在技术应用方面，目前比亚迪90%的IGBT都是自己配套，已成为我国唯—
—
家拥有IGBT完整产业链的企业比亚迪等国内外具有代表性的IGBT企业技术及产品特点见表l[8'12]o
国家中国德国日本
公司比亚迪中车时代英飞凌三菱
技术 4.0技术T5代技术EDT2电力动力总成技术第七代芯片技术
产品
示例
V-315系列模块T5代模块
◊
HybridPACK™DSC S2模块J1系列模块
技术特点
内部电场优化、减薄工艺、
Pin-fin针状直接冷却结构，使电流
输出能力提升15%，综合损耗降低
约20%，温度循环寿命是传统模块
的10倍以上，芯片厚度120pm，重
量减少50%0
TMOS+增强型沟槽栅技
术，低导通压降、宽安全
工作区特性，与IGBT4相
比VCE(sat)低约10%。；
精细沟槽技术，电流密度提升
30%o优化截止层，耐压提升
15%o沟槽■电场截止薄圆晶技
术，使芯片厚度大大减薄。双
面焊接(形成Ni+Pd金属层),
提升可靠性。
CSTBT载流子存储IGBT技术，VCE(sat)
降低13%,E off降低14%。集成温度及
电流传感器，提高可靠性。Pin-Fin底板
直接冷却结构，尺寸减小40%，重量减少
70%o热阻减少30%。DLB直接主端子绑
定技术，提高功率循环寿命。
示例产品特点1200V车规级，提供更强的加速能
力，高可靠性、高效率。
750V/600A车规级，平面
封装、双面冷却，结构紧
凑、散热性能优越。
750V高功率密度车规级，双
面散热封装，操作温度可达
175°C，性能提升40%，可靠性
优越。
650V/1200V/300A-1000A等数款车规级产
品，性能高、体积小、重量轻。
64THE WORLD OF INVERTERS
从表1中可以看出，按不同企业来说，比亚迪的产品加速性、安全可靠性好，英飞凌的产品的以高效和可靠性为特点，三菱以精细和多样化见长。
从总体来看，在技术方面，各生产商主要致力于通过EDT2电力动力总成、CSTBT载流子增强等技术，
提高产品效率；借助沟槽■电场截止、紧凑的冷却系统等工艺，使产品体积更小、厚度更薄；利用双面焊接、集成传感器等技术，改善产品的可靠性。在产品方面，
不同新技术的集成及新材料的应用，促进了产品高端化和多样化。
比亚迪采用4.0技术生产V-315系列模块提高了芯片开关速度，具备与第四代IGBT技术相同的鲁棒性。2018年，比亚迪推出了搭载4.0技术的新产品唐EV冋（图 2），百公里加速达4.4s,60km/h等速纯电续航里程提升至600公里。
图2搭载IGBT4.0技术的比亚迪唐EV
下一代功率半导体的技术方向是SiC（碳化硅）模块，与传统硅材料相比，SiC模块最主要优势是开关损耗大幅减小，在未来可作为硅材料IGBT的补充产品。2015年，三菱电机开出第一款全SiC模块，用于日本新干线。目前，三菱的SiC功率模块已涵盖额定电流15A-1200A及额定电压600V-3300V的产品。比亚迪也已经开始投资布局第三代半导体材料SiC的开发，将用于新一代电动车的制造网。
2.1.3比亚迪IGBT制备技术研究进展
目前的IGBT，普遍存在关断困难的问题。现有IGBT的内建电场使漂移区中的载流子密度变大，从而降低了通态压降。然而，这种栅槽型IGBT制造工艺复杂，成本较高。同时，所采用的载流子寿命控制技术，造成优化导通压降和降低关断损耗相矛盾的问题，使器件关断发生困难。
比亚迪开发的新型IGBT问，通过在阱区中引入载流子阻挡区，降低IGBT的导通电阻。该IGBT通过采用新型结构而非载流子寿命控制的方式实现导通电压的调控，因此避免了传统的载流子寿命控制方法而导致的器件关断损耗增加的问题。
该技术IGBT对应电压为1.1V，比常规结构下降27%；关断时间只需要1肖，比常规技术降低50%。该技术通态压降较低、关断时间短、关断损耗低，提高了IGBT的效率和安全性。
2.2锂电池及相关技术
2.2,1国内外技术及市场概况
2.2,1,1技术概况
锂电池诞生于上世纪70年代。全球新能源汽车主要使用锂电池，按照正极材料的区别，锂电池又可分别磷酸铁锂电池、三元电池和猛酸锂电池等丽。
磷酸铁锂电池技术成熟度高、成本低、安全性好、高温性能好、无毒、无噪音，缺点是低温性能差，能量密度相对较低切，如果需要更高的续航里程，就需要装载更多的电池。另一方面，目前高效磷酸铁锂电池的能量密度可达到180Wh/kg，可以满足续航需求冋。
三元电池分为NCA（牒钻铝）和NCM（镰钻猛）两类。三元电池能量密度高，低温性能好，但需要复杂的电池管理系统来保证电池的循环次数，安全性和寿命不如磷酸铁锂电池，需要用的金属钻价昂贵，生产成本较高。
猛酸锂电池的成本较低，倍率性能优异，安全性好，但存储和循环寿命较差。
2.2.1.2市场现状
目前，国际市场上95%的动力电池份额被中、日、韩企业占领，主要电池企业见表2。国际市场上新能源汽车主要以三元电池和猛酸锂电池为主，日、韩主要装配大型国际车企的产品。2018年1~9月的全球动力锂电池出货量，日本松下位列第一，出货量达13.38GWh，我国的宁德时代、比亚迪和韩国的LG紧追其后冋。世界主要动力电池企业产品概况如表2所示。
以日本松下为例，主要供应商是住友金属，其NCA电池配套特斯拉车型。特斯拉Model3使用的21700圆柱电池，能量密度可达340Wh/kg o松下计划于2022年掌握固态电池技术。
WWW.CA168.COM
65
国内
国外
企业
电池类型外形目前达到能量密度
(WWkg)企业电池类型外形目前达到能量密度
(Wh/kg)宁德时代三元材料方形240
松下三元材料方形/圆柱
340
磷酸铁锂
方形猛酸锂
圆柱比亚迪三元方形235LG
三元材料软包2020 年目标 270-280
磷酸铁锂
方形172
猛酸锂
比亚迪汽车有限公司软包
国轩三元材料方形/圆柱
210三星三元材料
方形/圆柱/软
包
230
磷酸铁锂
方形180
力神三元材料方形/圆柱
230
SKI 三元材料软包2020年的目标284
磷酸铁锂
方形
我国主要动力电池企业包括宁德时代、比亚迪等，
电池类型以磷酸铁锂和三元电池为主。2018年，我国
新能源汽车动力电池装机总量为56.9GWh，同比增长
56.9%O 从生产商来看，宁德时代以23.4GWh 居首位，
占比41.2%，比亚迪动电池装机量为11.4GWh，位列第
二，占比20.1%，排列第三和第四的分别是国轩和力神； 从电池类型来看，三元电池装机量占比58.2%，同比增
加13%，磷酸铁锂电池装机量占比39%，同比下降了
10%o
出于安全性考虑，我国客车主要使用磷酸铁锂电池，
而乘用车主要使用三元电池。由于NCA 电池的研究难 度较大，且核心技术掌握在日本企业手中，国内
的三元
电池开发主要选择NCM 开发路线。
关于未来的发展趋势，磷酸铁锂电池将会得到广泛
的应用，三元电池会成为未来发展重点。
2.2.2比亚迪锂电池的开发和应用
目前，比亚迪已成为世界上产能最大的磷酸铁锂电 池厂商。
比亚迪自主开发的磷酸铁锂电池(图3)，可满足
兆瓦级功率输岀需求，能量密度约在110~172Wh/kg 之 间[20]，已经成功应用于其纯电动汽车e6、K9 (见图4 )
等冋产品。
图3比亚迪开发的磷酸铁锂电池
这种磷酸铁锂电池的安全性突出、成本低、绿环
保。尤其是安全性能，采用特殊防爆阀与盖板激光焊接
技术，防爆阀启动压力稳定，保证了单体电池在各种极
限情况下，如针刺、撞击、短路、过充/放、火烧、加压等,
不发生爆炸。
图4比亚迪纯电动客车K9
安装磷酸铁锂电池的纯电动客车K9安全、静音、 外形时尚，订购K9的智利Enel 公司表示，与传统的柴
油巴士相比，K9的运营成本可减少70%以上冋。
在磷酸铁锂电池管理方面，比亚迪开发的动力电池
热管理系统，通过对电池进行冷却或加热，可使电池电
芯温度自动控制在最佳工作温度范围冋，以确保电池 在极端气候环境下保持高效、安全。使用该技术的车辆
在-2(rc 的环境下充电，电池将自动开启保护功能，降 低电池的损耗删。
关于未来技术规划，比亚迪将同时坚持磷酸铁锂和
三元电池共同发展的路线。自2017年起，比亚迪的新 能源乘用车开始配备NCM 电池，客车和E6暂时还会
继续釆用磷酸铁锂电池向。
2.2.3比亚迪锂电池研究进展
66 THE WORLD OF
INVERTERS
2.2.
3.1磷酸铁锂材料制备技术
传统的水热法合成磷酸铁锂，一般为一次成型造粒，所采用的pH值均为单一的pH值，这种方法存在着不能同时获得粒径小且电化学性能优异的磷酸铁锂。
比亚迪公司开发出一种磷酸铁锂的制备方法岡，是将水溶性二价铁源、磷源和锂源接触并反应，将接触产物的pH什调节至碱性，以I（rc/s的速率使产物升温至80~240°C进行第一反应，再将反应产物降至20~50°C，并将其pH什调节至酸性，再将酸性产物以10°C/s的速率升温至80~240°C进行第二反应，所制备的磷酸铁锂粒径小且电化学性能优异。
223.2磷酸铁锂电池低温激活技术
磷酸铁锂电池在低温环境下，例如低于-20°C时，电池只能放电不能充电，如需充电，就需要先对电池进行预热。
现有的新能源车，电机的驱动电路一般使用IGBT 三相全桥电路。在低温下如需对电池充电，通常是启动电路进行预热，但这种方法会造成电机电枢的电阻、IGBT以及电路中串接的电阻功率损耗。
为了解决这一问题，比亚迪公司研发出一种磷酸铁锂电池低温激活装置何，该装置包括了开关管、控制器和温度釆集器，首先由温度采集器检测磷酸铁锂电池的温度，然后传送给控制器，由控制器将所测温度与电池激活的最低温度进行比较，如果所测温度低于电池激活最低温度，则电池输出电流，产生热量，进行预热。当电池温度达到预设最高温度时，自动停止预热。这种方法能在低温环境下对电池进行预热而不会造成不必要的功率损耗。
223.3三元电池材料制备技术
现有的锂镰猛钻氧化物制备工艺中，可釆用共沉法制备氢氧化猛镰钻前驱体，再与锂源混合后通过高温固相反应制得正极材料。在使用共沉法制备前驱体时，多釆用滴加工艺，使得沉淀形貌很难控制。在高温固相反应过程中，可将过渡金属进行混合，但是，这样的混合很难使三种过渡金属均匀分布。
为了解决上述问题，比亚迪公司开发出一种制备工艺跑，该工艺釆用喷向反应器加入过渡金属溶液，
避免了局部浓度过浓的现象。在前驱体的制备过程中，通过压缩空气搅拌均匀，使过渡金属在共沉淀过程中的易于氧化，从而缩短了高温烧结时间，降低了成本。
2.3混合动力技术
2.3.1国内外技术及市场概况
混合动力汽车主要包括HEV（Hybrid Electric Vehicle，油电混合动力汽车）和PHEV（Plug Hybrid Electric Vehicle，插电混合动力汽车）等类型。二者都有发动机和电机，不同之处是，HEV是通过发动机产生电能，而PHEV不仅可以靠发动机充电，还有外置充电接口。
日本丰田双电机动力分流技术德国大众单电机双离合稣中国比亚迪DM（Dual Mode，双模）技术w SS tor T cn GD倾机变谏箱
图解
双电机分流系统变速箱集成电机BSG电机
采用PS（P：Position，指电机位置）构架，
采用P2架构，电机位于发动机与变速箱之间，
即变酬输入端。图解中的变速箱集成电机，将
电机直接与双离合的变速箱输入轴连接。可节约
空间，增加传动效率，充分利用所有的档位。新一代DM3技术采用P0+P3+P4架构。P0上的BSG
即将分别用于驱动和发电的两个一体化电机(Belt Driven Starter Generator皮带启动/发电一体化特点置于变遠箱内。发动机和两个电机同行星齿电机）位于发动机前端，负责自启停、发电等功能。
轮（动力分流装置）耦合在一起，通过电机P3在变速箱输出端，P4在后轴上。P3和P4分别驱动调节发动机的扭矩及转速，提高发动机效率。前后轮，实现电动四驱。
优势系统精准，节油效果明显，输出平顺，机舱
布置难度低。
结构紧凑，多功能，兼顾动力性能与节能环保。结构简单，加速性能好，工作模式丰富。
不足结构复杂，研发成本高。只能使用小功WS的电机，使性能发挥受限。馈电状态油耗较大，节能性潜力不足。
WWW.CA168.COM 67
发布评论