电动汽车的特点是效率高、利用空间有限、外形小巧、重量轻。因此,诸如功率电子转换器和组件等车载能源技术,必须结构紧凑、重量轻。有鉴于此,汽车和电子工业在推进电动汽车发展过程中,必须面对一些重要的技术挑战,包括:超快速充电或移动中充电、先进的电池技术、能量转换系统等。

迄今为止,乘用车在全球二氧化碳排放量中占很大比例。因此在帮助世界实现2050年碳中和目标方面,电动汽车(EV)有望发挥关键作用。

高效电动汽车的设计,需要对推进技术进行仔细分析。技术创新有助于电动汽车更方便、更安全、更节能,从而使可持续交通成为更加具体的现实。最新一代汽车的能源系统,正朝着更加电气化的方向发展。

电动汽车的特点是效率高、利用空间有限、外形小巧、重量轻。因此,诸如功率电子转换器和组件等车载能源技术,必须结构紧凑、重量轻。有鉴于此,汽车和电子工业在推进电动汽车发展过程中,必须面对一些重要的技术挑战,包括:超快速充电或移动中充电、先进的电池技术、能量转换系统等。

快速充电技术

快速充电站对于确保电动汽车的更快速充电至关重要。当今汽车行业最重要的目标之一,就是充电能力可达到几百千瓦的超快速充电。许多电动汽车用户都想知道,在家中、车库过夜或长途旅行时,他们能否方便快捷地为电动汽车充电。要在不影响电池健康的情况下加快充电速度,关键在于持续为每个电池单元提供最佳的电压和电流。

最新的车载充电器解决方案,可加快充电速度,并确保充电器以每个电池单元可承受的最高电流和电压来提供电能,从而避免过充或过热情况,导致电池寿命缩短和容量降低。未来,人们通过墙插式直流充电器,在不到两小时即可为800V电池充满电。

一些制造商正在开发能够在几分钟内完成充电的技术。一个不容忽视的方面是用半导体技术实现的双向充电。双向充电使车辆与电网、车辆与车辆、车辆与基础设施之间的连接成为现实。在对高峰需求进行规划和管理之后,通过快速充电站(FCS)进行车外充电,是减少电动汽车对电网影响的关键。在这些解决方案中,通常会采用固态变压器(SST),以较小的体积实现隔离,并直接与12.4kV电网连接。与此同时,固定式电池系统还可以平滑需求。

对于电池功率更大的长航程电动汽车,需要更大的充电站来加快充电过程。简化固定充电站的使用,很容易提振对电动汽车的需求,从而降低电动交通的投资和管理成本。但需要注意的是,为了给众多电动汽车充电,所扩建和安装的大量模块化及可扩展式固定充电站,可能会加剧对配电网络的负面影响,因为随着充电站数量的增加,许多车辆将会同时充电。另一方面,配备集成式电池存储系统的模块化架构,可以满足可扩展性、模块化、高效率和低成本的要求,因为它们可以灵活利用屋顶光伏板等本地分布式发电的能量,最大限度地有效利用可用能源,把对电网的影响降至最低。

高功率密度转换器

电动汽车应用中的电源转换器必须紧凑高效。在电动汽车等移动能源系统中,对于提高车辆的机动性和最大限度地减少所需功率而言,动力总成中的高功率密度转换器极为重要。提高开关频率并不总能减小无源元件的尺寸。在瞬时输入和输出功率值相等的功率转换器中,如三相逆变器和三相交流-交流转换器中,无源元件的尺寸与开关频率成反比。

最小化无源元件尺寸、减小驱动器体积和重量的最常用技术是提高开关频率。在保持高效率的同时,提高功率转换器开关频率的一种技术解决方案是采用宽带隙(WBG)半导体器件,如用SiC或GaN。事实上,宽带隙器件在系统层面具有重要优势,主要包括高得多的开关频率、宽得多的温度容限以及更低的开关损耗。

因此,在这些转换器中,提高开关频率并采用WBG半导体器件,将有助于最大限度地减小无源元件的尺寸和开关损耗。不过,采用WBG器件和提高开关频率还面临电磁干扰(EMI)这一设计挑战,需要通过足够的屏蔽措施、仔细地设计PCB版图以及采用EMI滤波器,才能尽量地减轻这一问题。

然而,在减少无源元件体积的同时,也减小了这些元件的冷却表面积,这可能会给高功率密度转换器带来新的挑战。因此,必须研究新的冷却技术,以用于电动汽车等移动系统中的高密度功率转换器。此外,在电动汽车中,要求功率转换器具有很高的效率,从而减少散热,进而减小散热器和冷却系统的体积,进一步提高驱动器的功率密度。

电池技术

可充电电池是电力驱动的能源。但迄今为止,电池的自放电、电池组的重量以及所用材料的技术限制,仍然都是亟待解决的技术难题。通常采用先进的电池管理系统(BMS)来监测和控制电池状态,以确保电池的安全运行,并估计电池的充电状态(SOC)和健康状态(SOH),维持电池的动态平衡。

BMS是提高电池性能和延长其寿命的基础,它能确保电池组的工作温度在规定的标准范围内,并确保每个电池单元的充放电率在安全范围内。先进的BMS有助于克服影响电动汽车普及的关键障碍,并解决与续航里程、安全性、可靠性和系统成本相关的各种问题。BMS的另一个极其重要的功能是防止SOC超过90%或低于20%,以限制电池系统所承受的高充放电应力,防止缩短其使用寿命。

如今,汽车制造商们都在努力实现最大的续航里程。与此同时,准确计算电池的电荷状态,对于了解车辆剩余电量至关重要。电池的SOC无法直接测量,因此实时估计SOC是BMS的主要功能之一。电池单元之间的平衡是BMS的主要功能之一,通过无源元件或晶体管放掉SOC过高单元的多余电荷,或采用DC-DC转换器等功率转换器在电池单元之间转移电荷,从而实现电池单元的平衡。

对锂离子电池技术的研究表明,这些电池的能量密度似乎已达到了理论极限。锂离子电池的充放电时间,并不完全适合某些重要的驾驶环境,例如制动时产生高电流的能量再生回收,就会加速电池鼓的老化过程。因此有必要开发新的电池技术,以获得更长的续航时间和更高的自主性。此外,锂离子电池在制造和处置阶段,会排放二氧化碳和温室气体,也会对环境造成危害。创新的重点还包括新的混合能源和电力存储方法,通过将不同的技术结合或集成起来,能够更快地响应瞬时能源需求,并提高能源存储效率。WBG技术也已推广到车载充电器领域,用以提高效率,缩小无源元件的尺寸。

结论

汽车电气化过程中的新技术发展,使得行业能够重新设计汽车系统,更好地用于不同车型和未来几代汽车。电动汽车的特点是很少或根本不接入电网。因此,它们的运行时间必须很长。电动汽车在充电效率和速度方面也有其他严格要求。从这个意义上说,半导体行业正在以高性价比的材料和先进技术大力推动创新,从而实现更低成本、更安全、更高效的汽车。电能耗尽仍然是最终用户在购买电动汽车时的主要顾虑。利用BMS开发的仪器,可以准确测量电动汽车的真实行驶里程,使其运行更加安全可靠。利用混合储能技术,可以加速移动能源系统的全面电气化,从而实现更长的工作周期、更长的使用寿命和更快的瞬态响应。

车载充电器需要较低的额定功率来实现轻量化设计。然而,这也导致车辆充电时间过长。制造商正在寻找新的配置,以保持轻量化设计优势和更快的充电能力。电池技术的能量密度、专用充电基础设施的快速充电时间、电池充放电周期的延长、电源管理技术和储能方案等,都是未来电动交通所面临的一些主要技术挑战和机遇,它们将在电动汽车和混合动力汽车能源技术的发展中发挥重要作用。

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