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電動汽車電池充電的主要解決方案

放大字體??縮小字體 發布日期:2016-06-13 19:18:13 ??來源:新能源汽車網??編輯:全球新能源汽車網??瀏覽次數:5499
核心提示:常規動力汽車上的大多數新電子系統(除主動安全、自主駕駛和信息娛樂系統之外)都可以被用于更大程度的幫助實現能量節省,例如通過直噴技術、起停系統和車身BLDC電機驅動等車聲和底盤電子方式。二氧化碳排放法規(限制
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    常規動力汽車上的大多數新電子系統(除主動安全、自主駕駛和信息娛樂系統之外)都可以被用于更大程度的幫助實現能量節省,例如通過直噴技術、起停系統和車身BLDC電機驅動等車聲和底盤電子方式。二氧化碳排放法規(限制95克/千米)推動了對提高燃料效率及汽車電氣化水平的緊迫需要,特別是在交通繁忙的市中心區和大都市,需要顯著降低CO2和顆粒物排放,以維持空氣質量。
    下列因素代表和影響著電動汽車(EV)的未來趨勢及成功發展:
    ●電池技術–能量密度、尺寸和價格
    ●行駛里程及效率
    ●充電性能、時間及基礎設施建設
    ●價格、激勵和稅收政策
    ●可靠性和維護成本
    ●安全性
    當車發生碰撞事故時,電子系統需要與所有儲能元件(如電池、電容和感性元件)斷開連接。直接接觸高電壓會對司機、乘客和緊急救援人員造成嚴重身體傷害。為了釋放諸如這些儲能元件中的能量,需要立即連接電阻性虛擬負載。
    智能能量管理對確保所有安全相關的應用(如制動、轉向、雨刷、照明和被動安全系統等)在長途駕駛期間的正常工作很是很重要的。除了在功耗考慮上具有最高優先級的安全電子系統,此外舒適電子系統也需要被重點考慮。夏季的空調,以及冬季的客廂供暖和車窗除霧是現代汽車必須具備的功能和設備。電動汽車設計中的巨大挑戰是減少這些大功率負載的耗電量。
    接下來最重要的任務是在汽車運行(特別是停車時)的區域提供足夠多的充電站。快速充電對最終用戶非常重要,因為通常沒有用戶會愿意為充滿電而等待兩個小時以上的時間。在上班、商務拜訪或購物期間,現代電動汽車必須是充滿電的。此外,激勵措施必不可少,如打折措施、替代能源及減少停車費。
    電動汽車的一個必不可少的配套元件是電池充電系統。其主要功能是將交流電(AC)轉換為直流電(DC),執行功率因數校正(PFC)功能,以及匹配電池系統的充電制度(charging profile)。
    電池充電有兩種主要解決方案以及各自的優勢:
    1. 車載(On-board):來自電網的單相和三相交流充電
    - 易于連接電網。
    - 無需大型充電基礎設施。
    2. 非車載(Off-board):超快速和大直流點非車載充電
    - 短時間、高功率、快充性能
    - 帶通用大功率直流充電機的充電基礎設施
    車載充電系統的一個關鍵部分是完全集成于車身網絡的AC/DC轉換器。它將汽車連接至交流電網并將交流電轉換為直流電。由于是高電壓應用的緣故,保證安全變得非常重要并在應用時需要遵循相應的標準。所有電子系統都需要滿足這些汽車級質量標準。
    另一個選擇是使用非車載DC/DC充電機向電動汽車輸入高壓直流電來取代交流電的方案。這種方案可以提供非常高功率的充電功能,不需要車載充電器,可幫助減輕車載充電器給車身帶來的重量和節省很大的空間,只是仍然負責電池充電階段的控制以及與非車載充電機的通信。這使汽車遠離交流電壓并不用去擔憂其帶來的相關安全隱患,此外還可以降低了ECU可能會承受的瞬間尖峰電壓。市場上已有此類最大功率可達 50 kW 的工業充電機,它們將來會逐步投入到交通基礎設施中去,如泊車區和公共汽車站。
    第三種方法是現已初露端倪的無接觸感應充電。其目的是提供一種幾乎無處不在的充電設施,以減少充電時間,以及提供幾乎即時的充電服務。
    半導體主動和被動器件行業都需要設計新元件來降低電動汽車控制器和執行器的成本。其中機電一體化+ 高壓驅動的解決方案是優化可靠性和提高效率的關鍵部分。多相轉換器和逆變器是被重點關注的應用領域。所有主要元器件廠商都在研發高性價比的新元件和新技術,以滿足大功率和高能量等級應用的需要。
    電動汽車中的主要元件有:
    ●用于電動機驅動和逆變器的IGBT模塊
    ●高壓MOSFET
    ●大電流濾波電感
    ●平面變壓器
    ●光耦
    ●固態繼電器
    ●高壓分壓電阻
    ●PTC熱敏電阻限流器
    ●高壓二極管
    ●整流橋模塊
    被動元件需要更多空間并具有較高的成本。其設計也比半導體主動元件模塊的設計更關鍵。新電路拓撲致力于提高電路的開關頻率,可以減小被動元器件(如變壓器、濾波器和儲能元件)的尺寸。這些拓撲包括可以用到的直流母線濾波的薄膜電容、用于直流母線或緩沖的鋁電容,以及用于高壓和大電檢測的檢測電阻。平面變壓器有對高開關頻率電路的獨特解決方案,并可在高壓DC/DC轉換器應用中提供最佳效率。
    用于電動汽車的電子驅動分為兩類:
    ●高壓應用(150VDC- 550VDC電池線路)
    ●低壓應用(12 V負載)
    應用于從高壓鋰電子電池轉換到12 V輸出的DC/DC降壓轉換器主要適用于100 W及以下的低功率負載。需要盡可能做高這些這些轉換器的整體效率。
    電動汽車面臨的最大挑戰之一是確保使用高壓半導體驅動的電機驅動的效率。此外,人身安全也是一個重要擔憂。為避免高壓開關出現火花,需要使用虛擬能量電阻對電池和其他元件放電,這可以快速消除能量,以避免起火。緊急斷開電池連接是另一個需要優化的領域,需要對目前大而重的方案進行重新設計。
    如同常規汽車一樣,電動汽車的系統設計工程師也想減少元器件的數量。實現該目標的一個例子是在3 kV功率等級及以下應用中,具有優異精度特性的新系列分壓電阻。這些表面安裝的高壓分壓電阻能夠取代傳統應用的20-40個單電阻。它們在目前用作浮點分壓器,用來檢測電路板系統的電壓穩定性,以及支持壓降調節,以提高效率。
    電動汽車的各種零件都伴隨著其特有的挑戰。例如,用于空調壓縮機的電機驅動需要非常高效的隔離型DC/DC轉換器。在這種應用的設計中,具有極低高度的分立元件起著重要作用。
    當電壓在 30VAC和 60VDC以上時需要加強對人體的電擊防護。低壓(12 V數字/模擬零件與高壓端子間的電流隔離必不可少。
    下列這些領域會受到標準化的影響:
    ●能量儲存系統
    ●汽車技術(電力電子和傳動系統)
    ●產品和操作安全(電氣安全和功能安全)
    ●電磁兼容(EMC)
    ●插電式充電機(車載和非車載充電)
    電動汽車目前可支持短距離行駛(平均每天50公里,最多100公里),但還不能滿足遠距離行駛(大于150公里)的需求水平。由于目前電動汽車最終用戶的價格高于常規汽車,所以投資于充電基礎設施和發展替代能源(主要靠政府力量和激勵措施)可促進純電動汽車(BEV)的大規模發展。
   
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關鍵詞: 電動汽車 解決方案 電池充電


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