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超能驰驭·源启新程——新能源汽车双向充储智领者

申报人：张苗苗 申报日期：2025-01-08

基本情况

2025年批次
超能驰驭·源启新程——新能源汽车双向充储智领者 学生申报
创新训练项目
工学
自动化类
学生自主选题
一年期
随着汽车行业迈向"电动化、智能化、网联化和共享化"的趋势，传统汽车工业正从机械化时代迈向电气化和信息化的新纪元。电动化目前被广泛理解为新能源汽车，其动力电池提供直流电，而驱动电机则需要交流电。IGBT作为转换开关，其性能决定了电能转换的效率。与此同时，随着社会经济的进步，人们的生活水平显著提高，对舒适生活的追求也日益增长。新能源汽车的市场份额持续扩大，人们在闲暇时更倾向于选择自驾游、露营、野炊等活动，这些活动无一例外地需要户外电源。因此，"新能源汽车双向充电"的概念应运而生。配备了车载双向充电器后，人们无需额外携带户外电源，这极大地满足了野外用电的需求。
桂林理工大学机械与控制工程学院23级在读本科生。大学在校期间积极投身创新，参与中国国际大学生创新大赛（2024)"数广集团杯"，2024第17届全国三维数字化创新设计大赛等多项全国性竞赛项目，并获得区级二等奖。善于沟通协调，主要负责项目主持、本创业计划整体构思、创业计划提纲与体系确定、书写工作的分配、技术研发创新工作。
于雁南副教授，主要研究方向为电力电子与电力传动，主要从事电网无功补偿和谐波抑制关键技术和通信开关电源的研究，包括变流器拓扑、建模与控制等相关研究与工作，具体从事多电平拓扑及控制策略的研究，围绕级联H桥拓扑等多电平电路来实现整流和逆变的应用研究。先后主持项纵向科研课题5项；参与基金项目等横、纵向项目10多项。先后在《中国电机工程学报》等学术权威期刊发表学术论文10余篇。担任国内外多个期刊审稿人。
指导教师将会全程为本项目提供技术支持，并视项目需求提供必要的实验仪器和实验场地。
校级

项目成员

序号 学生 所属学院 专业 年级 项目中的分工 成员类型
张苗苗 机械与控制工程学院 机器人工程 2023 统筹
刘畅 机械与控制工程学院 机械设计制造及其自动化（中外合作办学） 2023 产品构架设计
黄佳茹 机械与控制工程学院 自动化 2023 实物外观设计
李荧 机械与控制工程学院 机器人工程 2023 软件设计
何永权 机械与控制工程学院 自动化 2023 工业设计、机械设计

指导教师

序号 教师姓名 所属学院 是否企业导师 教师类型
于雁南 机械与控制工程学院 否

立项依据

在当前市场上，尚未见到完全采用国产组件的新能源碳化硅双向充电器实现量产。针对这一现状，我们的团队致力于研发一款完全国产化的新能源碳化硅双向充电车载充电器。该产品采用国产碳化硅功率芯片和主控芯片等关键器件，我们计划从部分国产化逐步过渡至全面国产化，这将显著促进从核心芯片到终端应用的国产化替代进程，进而支持我国科技的自主发展与强化。此外，我们的车载充电器具备卓越的兼容性，支持多家厂商和不同品牌的新能源快充协议，能够用单一快充设备替代多个原厂充电器，从而将原厂充电器转变为可选配件而非必需品，有助于减少电子废弃物的产生。同时，我们的产品将充分利用第三代半导体技术的优势，无论是在家庭使用还是商务旅行中，都能让我们的生活更加便捷和高效。
双向充电是指将电动汽车与电网相连，在停车过程中利用闲置电力的概念。也就是说，可以通过电网给电池充电，并将行驶后剩余的电力重新发送到电网。它分为V2L（Vehicle to Load）、V2H（Vehicle to House）、V2G（Vehicle to grid），整体称为V2X（Vehicle to everything）。 
主要为下列几种发展研究现状：
（1）近年来，随着欧盟加强减排政策并推出一系列政策优惠，新能源汽车在欧洲迅速崛起，其发展前景备受期待。在北美，美国的新能源汽车市场正蓬勃发展。据Marklines数据显示，2021年美国新能源汽车的市场渗透率仅为4.4%，这表明市场存在巨大的增长空间。预计到2025年，美国新能源汽车的销量有望达到约473万辆，新能源汽车的保有量预计将增至1100万辆。
。
（2）与新能源汽车的迅猛发展形成鲜明对比的是，海外市场充电桩基础设施的建设进展缓慢，呈现出显著的滞后现象，特别是在公路沿线充电桩的供应上存在较大缺口。根据欧洲汽车制造商协会(ACEA)提供的数据，欧洲的充电桩分布极不均衡，主要集中在荷兰、法国、德国等五个国家。而在美国，尽管新能源汽车的发展起步较晚，充电桩的配套建设更是显得不足。据国际能源署(IEA)和美国替代燃料数据中心(AFDC)的统计，截至2021年，美国新能源汽车的保有量达到204万辆，而充电桩的数量仅为13.3万台，导致车与充电桩的比例高达15.3:1。同样在欧洲，根据IEA的数据，2021年新能源汽车的保有量为546万辆，公共充电桩的数量为35.6万台，车桩比例也达到了15.3:1，显示出较大的缺口。
（3）国际巨头企业主导着欧美市场的新能源汽车快充领域，而国内企业则有望凭借其成本优势进入并拓展市场份额。
目前，欧美新能源汽车快充市场主要由当地老牌电气巨头（例如ABB、西门子和施耐德等）以及专业的第三方充电桩制造商（如北美Chargepoint、欧洲EVBox等）所占据。国内企业在拓展海外市场时，面临诸如认证标准、客户渠道等多重竞争壁垒。例如，中国的新能源充电器要想进入欧洲市场，必须获得CE等认证；而进入美国市场，则需满足UL、FCC等认证要求，这些都对技术水平提出了较高要求。尽管如此，国内企业生产的新能源双向充电器在人工成本上具有明显优势，且商业化程度较高，因此具备了打开海外市场的潜力。 
（1）创新点
本产品采用第三代半导体材料——碳化硅（SiC）。相较于传统硅材料，碳化硅（SiC）具有显著优势，能够实现MHz级别的高频功率开关，从而提供更高的功率输出，同时整体体积更为紧凑。
碳化硅（SiC）的绝缘击穿场强是硅（Si）的十倍，这使得它能够在低阻抗、薄厚度的漂移层中实现高耐压。因此，在相同的耐压条件下，SiC能够提供更低的标准化导通电阻（单位面积导通电阻）。这不仅使得SiC能够在小封装中实现低导通电阻，还能减小门极电荷量和结电容。同时，SiC器件在热设计方面比硅（Si）更为优越，在温度升高时，其导通电阻的上升率较低，而硅（Si）器件在150℃时，导通电阻可上升至室温的两倍以上。
目前，国产化的功率芯片和电源管理芯片尚处于起步阶段，性能方面还有提升空间。在追求国产芯片性能提升的同时，解决相关技术难题，将更有利于发挥国内行业的技术优势。随着国家在第三代半导体技术领域的投入和追赶，率先布局研发100%国产化的高端SiC电源，无疑将具有巨大的发展潜力。
（2）电气性能指标
合金外壳，10种引脚接口，在AC-DC模式下，输入支持180V~264VAC，频率47~63Hz，额定功率2160W，可选择输出电压12V/24V/48V/96V。在DC-AC模式下，额定功率1800W，输入支持DC10V~15V/19V~28V/38V~65V/76V~112V，输出180~264VAC，频率47~63Hz。
表4-1功率分配表
AC-DC 模式 1 2 3 4
输出 输出电压 12V 24V 48V 96V
额定电流 180A 90A 45A 22.5A
额定功率 2160W
输入 输入电压 180~264VAC
频率 47~63Hz
效率 90% 93% 93% 93%
DC-AC
输入 额定输入功率 1800W
输入电压 10~15V 19~28V 38~65V 76~112V
最大输入电流 150A 75A 37.5A 18.75A
输出 输出电压 180~264VAC
频率 47~63Hz
效率 90.50% 93% 93% 93%
输入特性如表4-2所示。
表4-2 输入特性
输入电压范围 90Vac to 264Vac
标称输入电压 100Vac to 240Vac
输入电压频率范围 50Hz/60Hz
满载输入电流 2.67Amax @Full load
瞬时功率 400W(可以按照客户要求定制)
满载效率 90%typ @220Vac 
使用第三代半导体材料碳化硅（SiC）。碳化硅 (SiC) 相比于硅材料具备决定性的优势，可实现MHz级别的高功率开关，从而实现高功率输出，整体体积也更小。
SiC的绝缘击穿场强是Si的10倍，能够以低阻抗、薄厚度的漂移层实现高耐压。因此，在相同耐压值的情况下，SiC可以得到标准化导通电阻（单位面积导通电阻）更低的器件。不仅能以小封装实现低导通电阻，而且也能使门极电荷量、结电容变小。同时，SiC器件比Si更易于热设计，在温度上升时，其导通电阻上升率较低，而Si器件在150℃时，导通电阻上升为室温的2倍以上。
目前，国产化功率芯片和电源管理芯片因刚刚起步，性能方面有待提高，在迎合国产芯片性能的同时解决相关难点更具国内行业技术优势。随着国家在第三代半导体技术上发力和追赶，抢先布局研发100%国产化的高端SiC电源必定大有可为。 
我组将项目计划分为如下几个阶段：
第一阶段：2025年4月至2025年6月
对产品进行全方位对功能和结构分析，确定产品的核心技术并且构建合理的数据和立体模型。
第二阶段：2025年7月至2025年11月底
购买零件并对样品进行调试、加工和样品的组装，完成各项模块功能的实现；对各个模块组装并调试，实现各项功能能够按照预期设想进行实现。
第三阶段：2025年12月至2026年2月
对上述阶段功能进行优化升级，新增设想模块，对此款产品进行再研发设计工作；还有进行外型外形优化，各项工序调试完备，项目竣工。
第四阶段：2026年2月至2026年3月
对茶品的各项资料及指标进行收集整理，并且制作相应的操作说明（包括实际应用视频、3D模型的建立、展示文档的制作等）。
第五阶段：2026年3月至2026年4月
对此项目的资料进行汇总整理，完成项目的剩余工作，并对本项目进行论文、专利等的撰写。
团队已经对整个项目的现状进行了完整的分析，对整个行业有了全面的了解；
整体的结构思路相对清晰，针对部分待解决的问题也已有相关解决方案；
部分算法代码已经初步完成，并实现预想功能

缺少相对应的实验场所，只能在实验室的初步阶段进行实验验证，无法应用到真实的场景中去完整验证

经费预算

开支科目 预算经费（元） 主要用途 阶段下达经费计划（元）
前半阶段 后半阶段
预算经费总额 16500.00 对项目的研究开发 6500.00 10000.00
1. 业务费 6500.00 参与会议以及外出调研 2500.00 4000.00
（1）计算、分析、测试费 1000.00 测试性能以及测试消耗用品 500.00 500.00
（2）能源动力费 0.00 无 0.00 0.00
（3）会议、差旅费 4000.00 外出调研，参加会议等 2000.00 2000.00
（4）文献检索费 0.00 无 0.00 0.00
（5）论文出版费 1500.00 发表论文、专利版面费、审稿费 0.00 1500.00
2. 仪器设备购置费 6000.00 购买仪器 2000.00 4000.00
3. 实验装置试制费 0.00 无 0.00 0.00
4. 材料费 4000.00 本套产品的模块 2000.00 2000.00
结束

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