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电动汽车电源治理手艺最新停留

宣布时间:2017年01月16日 11:01    宣布者:看门狗
要害词: 电动汽车 , 电源治理
“拯救我们的地球,让地球远离污染!”这是天下各地的迷信家和有识之士对降高温室气体排放的不合呼声。由石化燃料引擎驱动的汽车是罪魁罪魁,虽然推动汽车行进的替换手艺有许多种,但现在唯一可行的妄图是——电力(Electricity)。

电动推下手艺须要在汽车中整合一种全新架构的动力传动系统,这类新增添的组件请求相对应的系统组件阻拦多学科的深刻研究。电动汽车系统由电动马达、电力转换器和储能装配如锂离子电池组成,这类新的架构系统必须经由优化来最年夜限制地前进系统效力,使汽车在单次充电便能到达最长的行驶距离,电子手艺的生长为增添交通运输的气体排放量带来主要的推动力。
电动汽车(EV)和混淆动力汽车(HEV)

电动汽车靠电池行驶,混淆动力汽车也一样,只是它还应用一个石化燃料熄灭的引擎作为赞助。给这些汽车供电的手艺要想获获告成并具有优美的未来,能效是要害,是以须要智能的电源治理机制,最年夜化地前进将电池能量转换为车轮机械驱动力的效力,从而增添单次充电的行驶距离,同时不增添碳排放,理想情形下更是能显着降低碳排放。

电动汽车的碳化硅(SiC)功率


电动汽车的重量、体积和资源,和单次充电的行驶距离与电力转换系统的效力直接相关。SiC电源组件异常合适在汽车有数的高温情形中使命。让我们仔细看看SiC电源组件若何前进系统效力。

更轻的重量意味着里程数的延伸。降低电源转换系统的重量、资源和尺寸的一种尺度要领是前进开关稳压器的开关频率。我们都知道,在较高频率点使命时,电感电容变压器等自动组件的尺寸和重量可以镌汰,既然云云,快接纳SiC处置赏罚赏罚妄图吧。

虽然硅(Si)电源组件也能使命在高频,但SiC的优势是能够处置赏罚赏罚比Si高许多的电压。SiC是一种宽能隙(wide band gap,WBG)的半导体组件,而较宽的能隙意味着较高的临界电场(临界电场是关断状态下的壅闭电压)。宽带隙SiC组件的高压才干允许它们具有更低的导通电阻,从而完成更快的开关速率和单极性使命状态,部门原理是其载频须要被加速至更高的速率(更高的动能)来战胜更宽的能隙。

虽然砷化镓(GaA)和氮化镓(GaN)也具有很高的临界电场,也是针对年夜功率处置赏罚赏罚妄图的刷新型组件,但SiC尚有其他优势。诸如更高的最年夜使命温度,很高的德拜温度(Debye temperature),很高的热传导性(在多晶SiC中),在电场中完成快速开关和低电阻率的高载流子饱和速率,便利天生二氧化硅(SiO2)带来的更低的临盆资源,和很高的阈值能量招致更强的辐射硬化(radiation hardening)。

SiC组件在电动汽车中有许多要害应用。现有的电力牵引驱动装配能够将85%的电能转换为机械动能以驱动车轮,这个效力是相当高的,但SiC也能协助前进效力。电能转换器能受益于效力的刷新,由于它能将电池能量转达给发念头,而且能在电池充电器电路和任何须要的赞助电源中应用(图1)。

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图1 SiC电源组件在电动汽车中有许多用处。

将750V转换到27V供高压电动汽车应用的SiC电源供应,是用SiC功率组件前进电动汽车效力的很好例子。这类架构将效力从88%前进到了惊人的96%,将尺寸和重量增添了25%,而且与Si处置赏罚赏罚妄图相比不须要用风扇来冷却多余的热量。表1显示电动汽车SiC功率组件的一些主要应用。

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表1 电动汽车电子架构中的一些SiC应用。(PCU是指电源控制单元;APS是指赞助电源)(表格泉源:2015 Tenth International Conference on Ecological Vehicles and Renewable Energies)

电动汽车的GaN功率


GaN关于电动汽车的电源刷新也功弗成没。马达驱动和直流/直流控制中普遍应用的绝缘栅双极晶体管(IGBT)一直是基于Si的产物。这些设计的开关时间通常在10k~100kHz数目级,而GaN组件的开关时间可以到达奈秒(ns)级,而且能够轻松地在200℃的汽车情形下使命。

就像SiC一样,GaN组件由于具有更高的开关速率,是以也能镌汰电源架构中电感、电容和变压器的尺寸,还能因自动组件尺寸的镌汰而增添全体积和重量。

我们将凭证电动汽车电池的化学因素剖析它们的功效,好比基于锂的化学因素和具有高能量密度的镍氢电池(NiMH)。如前面SiC组件部门所述,为了使一次充电能够行驶更长的距离,异常须要前进电源转换架构的效力。

Si组件的开关速率和最小导通电阻曾经到达最年夜极限,GaN似乎是超出这些极限的一种可行的妄图。实验注解,假定开关频率可以前进5倍,电感和电容的体积便可以镌汰至五分之一。明天的GaN手艺可以支持很高的速率。

GaN功率组件在4个要害领域体现相当卓越:高温使命、更高的击穿电压、低导通电阻及合适更高使命频率的奈米级开关速率。这些优势和GaN与SiC类似,而它们的差异有两点:LED射频晶体管一直应用GaN;许多Si工艺兼容GaN工艺,与SiC较高的基底资内幕比,降低了晶圆资源及工艺资源。

由于早在2003年就处置赏罚赏罚了可靠性效果,是以明天的手艺告成让第一个GaN高电子迁徙率晶体管(HEMT)组件阻拦投产。这些都是常态导通(normally-on)组件,是以0V的栅极电压将组成导通状态,小于0V的任何电压都将关断组件。早期应用的是SiC基板(substrate),一旦Si基板能与GaN完善联络,临盆资源便可以显着降低。在2014年,一个新的级联架构完成将常态导通组件酿成常断(normally-off)组件。

自此以后,驱下手艺取得长足生长,整合度愈来愈高,电源逆变器也有显着前进。GaN组件在电动汽车的电池充电器中也有特殊体现,这些充电器由交流/直流转换器加直流/直流转换器组成。这类组合就是一种功率因子控制器(PFC)(图2)。

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图2 尺度的电动汽车电源架构。(图片泉源:IEEE 2015)

应用GaN,加上开关速率更高的GaN HEMT,可以完成更小的自动组件。增添的频率透过较小的电感将功率架构引向较低的涟波(ripple)电流,是以刷新了功率因子,并取得体积更小、资源更低的电容。更低的涟波电流对电容的应力也更小,从而前进其可靠性和寿命。

之前几年来GaN的可靠性曾经被前进到一个很高的尺度,这是GaN在汽车中应用的要害。

应用混淆动力汽车传动系统效力降高温室气体排放

现在约72%的交通排放由行驶在蹊径上的汽车发生。刷新混淆动力汽车传动系统设计以前进其效力是降低排放的主要手段。一种措施是增强DC-link电压控制架构的效力,这意味着首先须要前进勾通型混淆动力汽车传动系统的电源转换器效力。

DC-link通常毗连三个传动系统:由三相整流器组成的低级电源;由双自动桥式(DAB)直流/直流转换器组成的次级电源;由三相位逆变器组成的推动负载(图3),它们与勾通式混淆动力汽车相关。

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图3 混淆动力汽车的传动系统框图。(图片泉源:IEEE 2016)

在DC-link和电池电压不相等的设计拓扑中,直流/直流转换器中央处置赏罚赏罚妄图是必须的。有篇IEEE的论文《用于前进勾通式混淆动力汽车中电源电路效力的电压控制措施(Voltage Control for Enhanced Power Electronic Efficiency in Series Hybrid Electric Vehicles)》形貌了研究不合架构的许多措施和用于种种DC-link电压和直流/直流转换器控制的妄图。

以下将议论辩说比例控制订律(pro-portional control law),该定律用于控制静态DC-link电压以完成DAB直流/直流转换器桥栅极开关波形之间的相移。这类转换器位于勾通式混淆动力汽车传动系统的DC-link和电池之间,如图4所示。在这类情形下,控制器使直流/直流转换器电能消耗及所有传动系统的消耗都变得更低。

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图4 控制原理图中的混淆动力汽车传动系统互连图。引擎(ICE)、一连可变变速箱(CVT)、永磁同步马达(PMSG)或混淆动力汽车的低级电源、永磁同步马达(PMSM)或混淆动力汽车的推动负载都是图中所示系统的要害组件。(图片泉源:IEEE 2016)

在这个模子中,柴油机是混淆动力汽车的主要动力源,直流电池是次级动力源。治理控制系统(SCS)凭证电池电量状态(SOC)和马达负载来控制这两个动力源供应的动力比例。

现实上,在这类勾通型混淆动力汽车中,DC-link电压将榨取条件施加于与单元调制指数对应的PMSM和PMSG的理想使命区,这样系统便可以防止泛起招致讯号掉落真并降低系统效力的过调状态。将调制指数保持靠近1,可以前进传动系统中电源电路的总效力,从而最年夜限制地前进逆变器和整流器的效力,而开关历程是其效力损掉落的主要因素,是以降低开关电压可以前进效力。

这类能够最年夜限制增添功率损掉落的一连永世零压开关(ZVS)机制最合适具有高混淆因子(HF)的汽车,特殊是在都市情形中。混淆因子是指来自电源的装机功率与总装机功率之比。这个混淆因子会影响混淆动力汽车中的燃油消耗。

汽车逆变器


主电源逆变器控制着电力传动系统中的马达,是混淆动力汽车/电动汽车中的一个主要装配。电源逆变器就像引擎汽车中的发念头治理系统(EMS)一样决议着驾驶行动。这类逆变器适用于任何马达,比似乎步、异步或无刷马达,由整合的电子PCB控制。这块PCB板是汽车制造商专门设计的,用于最年夜水平地增添开关消耗,和最年夜化地前进热效力。逆变器的其他功效是捕捉再生制动释放的能量,并回馈给电池充电。混淆动力汽车/电动汽车的行驶距离与主逆变器的效力直接相关(图5)。

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图5 混淆动力汽车/电动汽车中的英飞凌主逆变器框架图。(图片泉源:英飞凌)

双电压电池系统

治理好混淆动力汽车和电动汽车中的电池请求应用高压手艺。联络了12V和48V电池的双电压系统须要双向的直流/直流转换,如图6所示,目的是掩护电路,支持架构化功效。

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图6 48V到12V的双向直流/直流转换器。(图片泉源:TI)

另外,汽车架构设计中通常有一个单相的3.5kW或7kW板载充电器模块(OBCM),用于从电网给电动汽车或插电式混淆动力汽车(PHEV)充电。反之,电动汽车和插电式混淆动力汽车可以用作动力,也可整合可再生动力的智能电网中以用作储能装备。智能电网使命时推敲到给电动汽车和插电式混淆动力汽车智能充放电,这也是OBCM必须是双向直流/直流充电器的启事。

这类设计的最好架构是升压系列谐振双向拓扑,如图7所示。它使命在谐振频率之上,具有零压开关功效,在最小开关频率点具有最年夜的功率传送性能。与单向电源流转换器相比,这类手艺用MOSFET整流器替换了二极管整流器。这类处置赏罚赏罚妄图也具有较高的效力和较宽的电池容量。图7所示的这类架构的一个主要弱点是整流桥在关断时具有较年夜的消耗,这一效果在未来的设计中必须处置赏罚赏罚。

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图7 设计师有时应用调制过的DAB转换器控制质朴高频隔离,这类架构的优势是组件的应力较低;其主要弱点是,ZVS没法扩年夜到所有输入规模,特殊是在轻负载条件下。这张图显示,升压系列谐振双向转换器是一种更好的架构。(图片泉源:IEEE 2014)

Delphi整合和布线


Delphi整合了本文议论辩说的所有元组件和其他一些混淆电动汽车功率电子组件(图8),这令人赞美。

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图8 Delphi在混淆动力汽车/电动汽车中完成高度整合。(图片泉源:Delphi)

混淆动力汽车/电动汽车中应用合适的外部毗连器也很是主要(图9)。

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图9 混淆动力汽车/电动汽车的要害要素是将质量最小化。Delphi在小规程电缆手艺、绝缘质料和重量更轻的铜替换品(好比铝或一些特殊专有合金)方面有偏主要创新。(图片泉源:Delphi)

电力车轮驱动系统


《电动汽车应用电动驱动系统的设计与完成(Design and Implementation of an Electric Drive System for In-Wheel Motor Electric Vehicle Applications)》一文推荐了一种合适混淆动力汽车和电动汽车的马达驱动系统,一种供应盘算性能的马达驱动混淆动力汽车的Matlab SIMULINK模子已开发告成。两个14kWDC无刷直流马达凭证文献设计制造而成,装配在混淆动力汽车车轮的轮缘内。

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图10 一个后轮的无刷直流马达图。(图片泉源:IEEE 2011)

另外,两个自力驱动的后轮也装配在菲亚特(Fiat)Linea车上。透过对偏向盘的角度阻拦检测,电子控制手艺取代了机械差动装配。汽车的电力驱动控制系统和电子控制单元(ECU)之间透过CAN总线阻拦通讯,电力驱动后轮和ICE驱动的前轴之间完成了告成的级联。

这类设计选择了带集中线圈的无刷直流马达,由于它具有很低的功率重量比和很高的效力,而且容易控制。

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图11 车轮轮辋和电动发电机装配中的直接驱动型无刷直流马达分化图。(图片泉源:IEEE 2011)

驱动器


无刷直流马达的电力驱动器由一个整合电源模块(IPM)、一个8位的微控制器和一个电子控制系统组成。驱动器软件开发用于IGBT换流控制和脉冲宽度调变(PWM)电压控制。系统具有光耦隔离、电流和温度掩护,而且系统中还嵌入了速率、电流和电压传感器

综上所述,本文简介了在电动汽车和混淆动力汽车电源治理方面比来几年的一些生长效果。往后必将还会泛起更多的开发效果,进一步刷新这些系统,使地球受益。
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