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电动车高效电源管理

时间:2019-12-13 作者:Maurizio Di Paolo Emilio,EE Times Europe编辑、EEWeb主编 阅读:
电动车的创新充电技术可成为变革的催化剂,有助于促进e-Mobility的普及。
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因为质量、功能简单,以及最重要的节能等环保特点,电动车(EV)正变得越来越受欢迎。与燃油车相比,电动马达结构较为简单,同时电动车在能源效益方面有突出优势:燃油车的能源效益为16%,而电动车的能源效益为85%,不断推陈出新的电气技术还能实现能源再生。

电力提供了很大的灵活性,包括使用各种形式的能量收集,有助于为电池充电,从而延长电动车本身的运行时间。因此,能量收集技术在电动车的研究和开发中具有广阔的前景。

电动车的自主性直接反映了其动力系统和能源管理系统的效率。此外,必要的基础设施,如现已达到几百kW功率的强大快速充电系统,也必须严格遵守预先设定的尺寸和效率限制。碳化硅(silicon carbide;SiC)以其独特的物理特性有效应对这些新兴市场的需求。

在混合动力车(HEV)和电动车中,主要的电力系统是DC/DC升压转换器和DC/AC逆变器。针对电动交通运输(e-Mobility)而开发的电子系统包含从温度、电流和电压传感器到基于SiC和氮化镓(GaN)的半导体组件。

强大的SiC组件

如今,自主性和充电时间极大地阻碍了电动车的普及。为了快速充电,需要更高功率的电源,以便在更短的时间内完成充电。由于车内空间有限,电池充电系统必须具备高功率密度;只有这样,才能将该系统整合到车辆中。

任何电动车或插电式混合动力车的中心,我们都能看到一个高压电池(200~450V直流电)及其充电系统。得益于车载充电器(OBC),电池可以透过家用交流电源或公共或私人充电站插座充电。从3.6kW的三相大功率转换器到22kW的单相转换器,当今的车载充电器必须具有极高的效率和可靠性,以确保快速充电,满足有限的空间和重量要求。

所有快速充电系统都需要设计紧凑高效的充电站,且目前的SiC电源模块可以创建具有所需功率密度和效率的系统。为了实现功率密度和系统效率的伟大目标,有必要使用SiC晶体管和二极管。

高硬度SiC基板优越的电场强度,可以使用较薄的基底结构。这使得其厚度只有硅外延层的十分之一。今后电池的容量会日益增加,而这一特性与缩短充电时间有关,这就需要具有高功率和高效率(如11kW和22kW)特性的车载充电器。

随着SCT3xHR系列的推出,Rohm现在能提供符合AEC-Q101标准的SiC MOSFET领域中最广泛的产品线,从而保证了车载充电器和汽车应用DC/DC转换器所需的高可靠性(图1)。意法半导体(STMicroelectronics)也拥有符合AEC-Q101标准的多种MOSFET、硅和SiC二极管组件,以及32位SPC5汽车微控制器,以便为这些高要求的转换器提供可扩展、经济高效且节能的解决方案(图2)。

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图1 SCT3XHR的热特性。(数据源:Rohm)

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图2 电动车电力系统框架图。(数据源:意法半导体)

车辆到电网(V2G)

未来10年,预计将有数百万辆电池驱动的电动车上路,这对电网构成了重大挑战。随着不可程序设计的可再生能源生产的普及,平衡电力网络的要求也在不断增加。

当汽车电池透过家用墙上插座、企业或公共充电站接入网络时,其电池的智能化管理变得非常有吸引力。汽车电池可以用来为电网供电,也可以用来取电,这取决于吸收电能的迫切需要。

该系统可以将车内积聚的能量归还至充电站,或透过网络(对电池)遥控提取能量。实现该系统的关键技术是一个双向电源逆变器,该逆变器直接耦合在汽车侧的高压电池(300~500V)和低压网络侧(图3)。

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图3 V2G技术。

V2G技术有可能实现更加平衡和高效的电网。电力供需平衡将是电力需求增长的关键。

无线充电

电动车的无线充电是一个令人兴奋的领域,这得益于位于车库或公共停车场的充电站,且充电点不一定要与车下的接收器精确对准。今后厂商将尝试开发一种微负载(micro-loading)版本,可以将长负载板和公共道路整合在一起,从而即使在行驶中也能为电动车/混合动力车充电,但这取决于国家和地方行政管理层会为该类开发造成的阻碍程度。

为使V2G技术能够不间断地运作,提供网络稳定性优势,并让车辆充当发电机和数据源,无线充电技术不仅必须融入车辆本身,还必须融入到为车辆充电的家庭和城市基础设施中。唯有如此,车辆才能及时满足大众需求。

基于电磁共振技术的无线充电能够让各类型号的电动车透过在电源垫上放置软性线圈,使用混凝土和沥青等材料,实现自动安全充电。借助无线电源,车辆可以自动充电并实现V2G技术,在不需要人工干预的情况下不断进行激励和衰减循环(图4)。

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图4 电动车无线充电框架图。

结论

在数字网络能力支持下,宽能隙半导体技术和快速充电站将有助于加快电动车的普及。随着全球对电动车需求不断增长,充电基础设施的支持需求也将增加。电动车的创新充电技术可以成为变革的催化剂,有助于促进e-Mobility的普及,并为实现减少碳排放的目标做出很多贡献。

电动车的动力系统采用SiC功率组件能提升系统的能效、电动车强度和功率密度,以及高电压、高功率的大功率应用,从而极大地提升系统性能和长期可靠性。SiC MOSFET和SiC萧特基二极管(SBD)确保在高频具有最高的转换效率。

(参考原文: High-Efficiency Power Management for Electric Vehicles,by Maurizio Di Paolo Emilio)

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