能源生态系统——推动电动汽车未来发展的技术

电动汽车中的电源转换系统

设计人员越来越多地转向SiC和GaN功率器件,以利用电动汽车中更快的开关频率以及更高的电压和热操作范围。

气候问题和不断变化的消费者偏好正在推动电动汽车(EV)的技术创新,作为迈向更绿色交通未来的一种手段。

这个不断扩大的电动汽车市场的创新范围从可以帮助将太阳能和其他分布式能源资源集成到电网中的智能逆变器,到超快速充电电动汽车供应设备(EVSE)和越来越强大的电池。这些技术有助于提供里程保证并推动电动汽车的采用。

尽管全球大流行,但2021年上半年电动汽车销量同比增长160%,达到260万辆。技术创新,包括功率器件、转换器、电池和充电器电子微观世界中更好的设计和测试方法,只是有助于推动电动汽车生态系统整体增长的一些发展。让我们来探索一下最近的一些汽车创新和测试方法,这些创新和测试方法使滚动底盘成为可能。

SiC 和 GaN 功率器件的双脉冲测试

电动汽车动力生态系统中是功率半导体 - 这些微小的芯片有助于在不同系统之间转换功率 - 例如动力转向和制动,信息娱乐系统,照明,空调,当然还有电动动力总成。设计人员越来越多地转向新的宽带隙 (WBG) SiC 和 GaN 功率器件,以利用更快的开关频率以及更高的电压和热工作范围(图 1)。

图 1SiC 和 GaN 在现代电动汽车中的应用

图 1SiC 和 GaN 在现代电动汽车中的应用(图片版权和来源:是德科技汽车电力电子测试))

虽然WBG可提高功能效率并有助于减小设计尺寸和成本,但由于极快的振荡,它们还遭受了更高的开关损耗,从而导致功率转换器的效率降低。

电源转换器设计人员正在转向一种相对较新的方法,称为双脉冲测试(DPT)技术,以进行可重复且可靠的测量,以确定这些开关损耗。

双脉冲测试可以帮助设计人员确保其最终产品符合行业标准,例如JEDEC制定的标准,JEDEC是为微电子行业开发开放标准和出版物的全球领导者。

测试,并通过再生电源进行节能

电源转换在整个EV中发生(图2)。

图 2EV 中电源转换的简化框图

图 2EV 中电源转换的简化框图(图片来源:是德科技电动汽车设计和测试技术)

电动汽车的功率水平范围从~50 kW到超过180 kW。EV中的大多数组件都支持双向潮流。除了为车窗和车灯供电的简陋的12 V电池外,今天的电动汽车还具有280 V至800 V的电池。

大功率测试不是对传统内燃机汽车进行的低功率测试的简单延伸。在数百伏特以下工作,汽车制造商必须优先考虑人类和被测设备的安全性。大功率测试还会产生大量的热量,这增加了空调的运营成本。


本月关注

蓬勃发展的电动汽车(EV)领域的电源管理应用和消费电子设备(如充电器或适配器)正在推动对碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)组件的需求。


一种越来越流行的降低成本的解决方案是使用市售的再生电源系统,该系统提供双向再生直流或交流电源。这些电源的再生能力允许将消耗的能量干净地放回电网,而不是以热量的形式消散,从而节省了能源消耗和冷却的成本。

了解电池自放电以制造更持久的电池

自2010年代初以来,电动汽车电池已经大大改善,每次充满电仅提供50-60英里。如今,电动汽车电池平均每次充满电可提供250英里的行驶里程,足以缓解大多数驾驶员的续航里程焦虑。

创造更好的电池始于了解电池化学。电池设计人员最讨厌的是锂离子电池中异常快速的自放电现象。电池自放电是即使电池未连接到任何设备,电池存储电量也会减少。自放电会降低锂离子电池的保质期,并导致它们在使用时最初充满电量不足。

为了检测锂离子电池中的异常自放电,开发人员和制造商传统上依赖于在几周甚至几个月的时间内测量电池开路电压(OCV)的下降,以获得良好的验证结果。在开发过程中必须等待这么长时间,导致新设计迟到,从而失去了机会。如果必须重复自放电测试,则情况会进一步复杂化。在制造过程中,长时间储存大量电池以筛查其自卸性会带来重大费用,物流和安全问题。

为了应对这些挑战,是德科技创建了一种革命性的"恒电位"自放电测量技术(图 3),该技术可大幅缩短测量电池自放电电流所需的时间。对于圆柱形18650或21700电池等较小的电池,开发人员现在可以在短短30分钟至2小时内测量稳定的自放电电流,具体取决于电池特性。对于大容量的袋式细胞(例如,10-60 Ah),这只需要1到4个小时。这减少了大量的测试时间和产品开发周期的成本,有助于更便宜的电动汽车电池。

图 3使用高性能恒电位分析仪

图 3使用高性能恒电位分析仪
对 18650 个电池进行 4 小时测试的结果(图像来源:是德科技锂离子自放电测量解决方案)

EV和EVSE – 确保互操作性

EV通过日益复杂的EVSE网络连接到电网。据路透社报道,全球有300多家电动汽车充电公司。结合全球500多种电动汽车型号,不同的充电模式和充电标准,我们可以看到为什么在不同的充电站为电动汽车充电并不像加满油箱那么简单。

为了应对这一互操作性挑战并加快上市时间,许多电动汽车和EVSE制造商正在投资能够节省时间和金钱的仿真解决方案。

这些设计验证使用可以模拟电动汽车或充电站的机器,解决了在不同EV或EVSE模型下对新产品进行独特测试的挑战。

创建可持续的能源生态系统

汽车行业将面临不断变化的消费者需求,例如产品是否符合环境、社会和治理目标。新的测试技术需要同步发展,以帮助开发更好的电子微观世界,如功率器件、转换器、电池、电池和传动系统。在宏观层面,我们将看到更智能的电网利用可再生能源为不断增长的电动汽车车队提供动力,并实现我们作为一个文明的ESG目标。

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