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电子技术如何改变汽车行业的发展

--模块化转换器在电动汽车中的新机遇

供稿:RECOM Asia Pte. Ltd. 2020/3/4 10:42:22

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  • 关键词: 模块化转换器 汽车行业
  • 摘要:​在过去的一百年里汽车毫无疑问地改变了世界。但是现在追求以大排量发动机来实现更高速度的趋势已经悄然发生了变化,因为气候恶化和资源减少迫使我们不得不重新思考。电池动力不但取代了原有的燃油动力更赋予了汽车更高的性能,模块化转换器在这一新兴领域的应用极具吸引力。

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慕尼黑大学开发的Formula Student Electric(FSE)赛车在每个车轮上都有六个高隔离的RECOM DC/DC转换器来供电(照片:MunicHMotorsport)

在过去的一百年里汽车毫无疑问地改变了世界。但是现在追求以大排量发动机来实现更高速度的趋势已经悄然发生了变化,因为气候恶化和资源减少迫使我们不得不重新思考。电池动力不但取代了原有的燃油动力更赋予了汽车更高的性能,模块化转换器在这一新兴领域的应用极具吸引力。

在德国,所有希望借助物理学家的力量实现迅速转型电动汽车的人都会感到失望。市场最初预计到2020年,电动汽车将达到100万辆,但去年(2019年)只有5万辆,其中包括一半的混合动力汽车。所有的政治和环保活动人士似乎都在为同样的目标而努力,那么为什么进度如此缓慢? 原因有很多。

• 充电站的范围和匮乏:目前的锂离子电池由于容量的不足无法满足人们度过一个无忧无虑的周末,尤其是在车内需要温度控制的夏季和冬季。除此之外,德国的快速充电站仍然很少,尤其是在偏远地区。就算找到充电站,还要等近一个小时才可以充满电,即使充满,电池也只有几个小时的续航里程。这意味着纯电动汽车在城市里只能作为另一辆代步车使用。

• 电动汽车仍然太贵:尽管有国家补贴,但对于大众市场而言电动汽车的价格仍然太高。德国的电价也特别高,30欧分/千瓦时的电价仅比燃油省了30%的成本。这种节省可能在长途旅行的情况下会获得明显的回报,但作为家用车在市内行驶时回报却微乎其微。

• 电池寿命有限:电动汽车节省了换油之类的维护成本,但几年后更换老旧电池的沉重成本却是明显的隐忧。如果保持原装电池不作更换,电动汽车可能会贬值至几千欧元,因为购买者需要考虑更换电池的成本。

• 电动汽车不如宣传的环保:即使没有排气管,电动汽车也不如宣称的那么干净。锂离子电池使用的原材料包括锂、钴和镍,它们是在环境保护并非主要政策的国家或地区开采的。除此之外,制造每千瓦时的电池容量平均排放一百多公斤的二氧化碳。最重要的是,为电池充电使用的电力只有来自可再生能源时才是真正的无排放。

• 原材料的数量有限:没人知道锂矿和其他资源的储量能维持多久来满足全球电动汽车的需求。随着资源的减少,电池的价格可能会上涨而不是下跌,特别是电动汽车的使用寿命中必须至少更换一次电池。虽然可以回收一定程度的原材料,但是这个过程又贵又耗时。

考虑到这些,可以理解为什么人们对电动汽车没有太多的热情。电池供电的动力似乎还没有真正到来,特别是考虑到续航里程为400公里的电池重达600公斤。汽车带着这个重量移动降低了效率。可以安慰的是电动机比传统的汽车发动机更轻便,在制动过程中还可以回收部分电力。

转换器的应用

在电动汽车使用充满电的电池之前,充电电路需要将电网的交流电转为高压直流电,同时监测和控制整个充电过程。传统的230V插座足以在一个晚上通过小型电动汽车的充电器将汽车充满电。家用插座提供最高2.3kW的功率,整个充电时间需要数小时。

公共和快速充电站的功率超过100kW,所以充电速度比较快,大约一个小时就可充满一个85kWh的电池。仍在开发中的超大功率充电站可以处理高达400kW的功率。这样可以将充电过程缩短到大约十五分钟,很适合长途旅行中在短暂的休息时为汽车充电。

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图2:电压转换器可以在充电站应用中提供所需的高等级隔离。

所有主要的充电站都用直流电为电动汽车充电。目前的标准电压为400V,但将来可能会提升至800V。即使认为在家庭环境中的直流电是安全的,电压到如此之高也是会致命的,因此整个系统对可靠性的要求相对的也较高。

这需要牢固的插头连接以及可靠的电子安全系统。为了达到这个目的,汽车电池管理系统和充电站之间要随时保持通信状态。只有当充电器牢固地插在充电插座上,并同时发出恒定的「ok」信号时才会开始充电。如果信号中断,充电站会立即断开充电连接。

RECOM RAC05-xxSK/480 AC/DC转换器就是为了这个监控任务所开发的(图3)。

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图3:RECOM RAC05-xxSK/480可将480VAC的相 -相电压转换为5或15V DC。5W转换器的工作温度为-40°C至+80°C以上。

RAC05-xxSK/480 AC/DC转换器的输入电压最高可达528VAC,因此很容易在三相供电系统的任意两相之间直接取电工作。通过RAC05-xxSK/480 AC/DC转换器可得到一个4KVAC隔离的5VDC或15VDC,功率为5W的直流低电压来为握手协议监控电路供电。

不仅充电站需要彻底的监控,对锂电池本身也需要不断地观察。先进的锂离子电池通常被分成几个小模组。每个模组的电流、电压和温度需要分别监控,以确保充电过程中电池的安全。如果有一个模组有故障时必须可以单独关闭它,以让正常运行的模组继续供电。复杂的电池管理系统对延长电池寿命和电池保护是至关重要的。

为此RECOM开发了一系列用于电动汽车电池管理的1W DC/DC转换器。每个电池模组都需要属于自己的DC/DC转换器来为CAN总线和电压监测电路进行隔离供电。这款DC/DC转换器的隔离高达5.2KVDC,且出厂时全部通过隔离耐压测试。

高隔离DC/DC转换器也可用于充电电路中的功率元件的控制。这涉及到由栅极驱动器控制的大功率IGBT、 SiC或Si Mosfet和GaN Fet,这里需要一个正电压和一个负电压来加速开关过程并避免误触发。

功率元件在高速的开关时会产生一个非常高的脉冲电压,因此栅极驱动器的电源需要非常有效的隔离。RECOM开发了双输出「增强型」隔离DC/DC转换器,输出电压分别有 +15V/-9V(IGBT)、+15V/-3V和+20V/5V(SiC)以及 +6V/+9V(GaN)。这些转换器的耦合电容特别低以确保较长的系统使用寿命。

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  图4:具有非对称双输出的高隔离DC/DC转换器为IGBT、SiC或GaN提供驱动电压。

赛车竞技孕育创新

赛车竞技运动为技术变革提供了一个有效的晴雨表。额外的电力在赢得方程式赛车比赛中起着至关重要的作用。依靠电力驱动,E级方程式赛车变的越来越强大。一年以前,在比赛中途必须更换第二辆赛车才能完成比赛,而现在,只需一次性为电池充满电就可以完成比赛。

大学高校也在为未来而努力。慕尼黑大学的学生们正在与Munich Motorsport(慕尼黑赛车运动公司)合作开发一款电动赛车,参加学生电动方程式赛车(FSE)的比赛。轮毂中的四个三相电机控制电路中共装配了来自RECOM RxxP2xx系列的24个隔离DC/DC转换器。这款赛车以174bhp在2018年慕尼黑电子展的RECOM展台上展出,其百公里加速时间不到2秒。

展望

世界各地的研究人员都在努力改进电动汽车技术,尤其是在中国。锂离子电池是否会成为最终的定论还有待观察。能源和气候研究所的研究人员则认为,开发新型固态电池具有很大的潜力。新型固态电池的成分是磷酸盐化合物,不需要使用任何液体,因此它们应该比锂离子电池更安全、更耐用。

氢燃料电池也非常被看好。埃尔朗根-纽伦堡大学正在研究与氢有机结合的安全“燃料”。这些液态有机氢载体(LOHC)既不易燃也无毒,使用方式跟普通燃料一样。汽车行驶600-800公里所需的LOHC燃料量与普通燃料基本相同。现有的服务站网络(加油站)只需稍微改造就可以很方便地提供LOHC燃料。

不论动力源于何种电池,电动汽车最终的驱动器还是需要带有电子控制、监控和通信等功能。这将需要各种创新的电压转换器,这是RECOM之所以特别关注电动汽车的一个重要原因。

审核编辑(王静)
更多内容请访问 RECOM Asia Pte. Ltd.(http://c.gongkong.com/?cid=57810)

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