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电动出行(E-Mobility)的未来在于智能化和宽禁带功率器件

时间:2020-06-03 作者:Davide Di Gesualdo 阅读:
EVSE是电动出行更为复杂的基础架构的一部分,将来会插入智能配电网络(即智能电网)中,以实现“插入”设备(实际上包括EV和PHEV)的充电。目前,电动出行和WBG器件已经找到了一种相互契合的方式。一方面,EV和EVSE需要具有高功率密度、高性能和小尺寸的新型功率器件。另一方面,WBG也正在寻求合适的契机大规模渗透市场。
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一个复杂的系统设计必须始终考虑多种因素的约束,如技术、工艺、环境以及法规。除此之外,如今还有一个不容忽视的因素,即对环境的重视。因此,新兴技术都在寻求满足这一要求的解决方案,致力于提升能源效率、减少能源浪费和提高系统良率。RjLEETC-电子工程专辑

电动出行

交通出行越来越多地涉及精心计划,旨在减少二氧化碳排放并减少对环境的影响。其实施涉及电动马达领域,并因此涉及到电力电子。通过混合动力汽车(HEV)、插电式混合动力汽车(PHEV)和全电动车(EV)等方式,电动出行(E-Mobility)实施可持续发展的交通解决方案已有多年了。这些车辆现已成为工程学的杰作,车辆中的电子(数字和电源)、机械和IT部分共同协作,最大程度地减少了未燃烧气体的排放,使HEV和PHEV车辆的两个发动机保持同步,并通过正确管理EV中蓄电池的充放电优化了能耗。RjLEETC-电子工程专辑

现在的制造商几乎都能适应电动世界的生产,甚至奥迪、梅赛德斯-奔驰或宝马这些历史悠久的汽车厂商(主要依赖于汽油和柴油发动机)也已将其首批高性能电动汽车投放市场。市场本身也开始显露出转变的最初迹象:这一趋势正在持续增长,用于公共交通和商品运输的电动汽车数量已达到约600万辆,到2030年,预计将达到1.6亿辆。迄今为止,中国仍是这个市场的主要驱动力,约占整个电动汽车市场总量的三分之一。在立法层面,欧洲和美国已经公开表示出减少温室气体排放的意愿,这将有益于新型电动、混合动力汽车以及可再生能源交通的发展。RjLEETC-电子工程专辑

电动出行中的电力电子

电力牵引涉及多种电子设备。在高科技交通方式中,创新的安全装置至关重要:多种智能传感器能够检测和处理障碍物相关数据、保持预设速度并与前方车辆保持恒定距离(ACC –自适应巡航控制)、在超车时检测死角、保持在车道内(LKAS –车道保持辅助系统),或在必要时自动制动刹车(BAS –制动辅助系统)。RjLEETC-电子工程专辑

而驱动方面,车载功率设备中的电源逆变器和BMS(电池管理系统)发挥着较为重要的作用,设计师和工程师正在不断研究以改进。BMS必须能够管理大功率,精确控制电池组的温度和电流,同时要控制好再生性制动器的充电。要完善整个设计框架还需要一种非板载设备,即EVSE(电动车充电设备)或充电模块,它可以将电网中的电力传输给车辆。RjLEETC-电子工程专辑

EVSE和智能充电

EVSE是更为复杂的基础架构的一部分,将来会插入智能配电网络(即智能电网)中,以实现“插入”设备(实际上包括EV和PHEV)的充电。EVSE主要包括:带通信接口的微处理器;以及功率单元(产生车辆充电所需的能量)。为实现更大的行驶自主性,电动车需要容量更大的蓄电池,而EVSE必须保证可接受的充电时间。RjLEETC-电子工程专辑

这就导致了更高的电源供应需求,进而要求设计和制造可管理极高电流的充电设备,这会涉及很多问题,如足够的散热、专门用于连接器的绝缘材料、导电率极高的电缆等。我们这里谈论的电流范围从家用EVSE的16安培,到125安培的系统,甚至还有能够提供高达350安直流电的先进充电站。RjLEETC-电子工程专辑

从车辆到电网

直到十年以前,大多数充电站还不是智能充电型的,因为那时的充电控制协议基于模拟电路,相对于多样性的应用类型还不能灵活应对。随着时间的推移,EVSE的需求变得越来越复杂,以至于人们决定将实际的充电模块与数字控制模块(供电设备通信控制器或SECC)结合起来,从而实现多种功能并满足电动汽车制造商的需求,以创建一个真正的派生服务生态系统。RjLEETC-电子工程专辑

执行该项任务的标准和协议集被称为V2G(车辆到电网),并在ISO15118(及其衍生版本)中进行了说明,它定义了控制消息以及所传输电能的双向通信。实际上,从这个意义上讲,电力可以从网络传输到车辆,反之亦然,也可以从EV传输到网络。RjLEETC-电子工程专辑

这样可以优化电池组中积存的电荷,还可以重新利用蓄电池中的能量并将其反馈回网络中。车辆的90%时间都处于停放状态,这意味着这时汽车积存的电能未被使用。V2G提出的构想是利用这些累积的电能来应对能源需求的高峰。此外,V2G还可以与风能或光伏系统等可再生和非连续能量转换点良好集成,如果某个特定时刻系统能量不足时,网络可以自主决定使用电动车电池来缓冲任何能量需求,而在能量过剩的情况下,额外的能量可以用来为车辆充电。RjLEETC-电子工程专辑

V2G协议的消息传递还提供许多其它服务,包括自动车辆识别、连接到电网的用户授权,以及根据使用时段和所需充电功率的不同而区别收费的费率规则。EV和EVSE之间的物理通信通道可以为有线(电力线通信)或无线(WLAN)。RjLEETC-电子工程专辑

适于智能充电的宽禁带器件

毫无疑问,工程师们所面临的挑战之一是EVSE所使用的功率器件。它对电流的需求过高,传统功率器件虽然能够支持,但可能会出现一些额外的问题,导致设备成本增加,从而降低产品的可扩展性和普及。例如,大功率导致的散热问题需要专门设计合适尺寸的散热器,这使得系统成本更高、设备笨重且体积庞大。从这一方面来看,技术已经先行一步,WBG(宽禁带)器件就是可行的解决方案之一。RjLEETC-电子工程专辑

图1:英飞凌的CoolSiC系列产品RjLEETC-电子工程专辑

例如,英飞凌公司的新型CoolSiC系列产品,通过使用肖特基二极管、SiC MOSFET和SiC模块等一系列器件,可以支持高达1200 V和200 A的高功率,这一切都是专为汽车应用而设计的。罗姆半导体也拥有自己的超高功率WBG器件产品线,例如其MOSFET模块具有100kHz以上的开关频率。RjLEETC-电子工程专辑

图2:罗姆半导体的碳化硅MOSFET器件RjLEETC-电子工程专辑

不远的将来

电动出行和WBG器件已经找到了一种相互契合的方式。一方面,EV和EVSE需要具有高功率密度、高性能和小尺寸的新型功率器件。另一方面,WBG也正在寻求合适的契机大规模渗透市场。RjLEETC-电子工程专辑

责编:Amy GuanRjLEETC-电子工程专辑

本文为《电子工程专辑》2020年6月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。点击申请免费杂志订阅 RjLEETC-电子工程专辑

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