电动汽车面临的主要技术挑战是什么?

2016-07-08 19:24:15来源: 电子发烧友网 关键字:汽车电子  电池技术  电动汽车
    作者:Mustafa Dinc 现担任Vishay科技全球汽车业务发展部总监。他拥有超过5项专利,业务专长包括激光解决方案、光传感器和电力自动化控制单元等。Dinc持有德国亚琛工业大学(RWTH Aachen University)的电子学硕士(Dipl. -Ing. (Fh) degree in Electronics)。

  常规动力汽车上的大多数新电子系统(除主动安全、自主驾驶和信息娱乐系统之外)都可以被用于更大程度的帮助实现能量节省,例如通过直喷技术、起停系统和车身BLDC电机驱动等车声和底盘电子方式。二氧化碳排放法规(限制95克/千米)推动了对提高燃料效率及汽车电气化水平的紧迫需要,特别是在交通繁忙的市中心区和大都市,需要显著降低CO2和颗粒物排放,以维持空气质量。

  下列因素代表和影响着电动汽车(EV)的未来趋势及成功发展:

  · 电池技术 – 能量密度、尺寸和价格

  · 行驶里程及效率

  · 充电性能、时间及基础设施建设

  · 价格、激励和税收政策

  · 可靠性和维护成本

  · 安全性

  当车发生碰撞事故时,电子系统需要与所有储能元件(如电池、电容和感性元件)断开连接。直接接触高电压会对司机、乘客和紧急救援人员造成严重身体伤害。为了释放诸如这些储能元件中的能量,需要立即连接电阻性虚拟负载。

  智能能量管理对确保所有安全相关的应用(如制动、转向、雨刷、照明和被动安全系统等)在长途驾驶期间的正常工作很是很重要的。除了在功耗考虑上具有最高优先级的安全电子系统,此外舒适电子系统也需要被重点考虑。夏季的空调,以及冬季的客厢供暖和车窗除雾是现代汽车必须具备的功能和设备。电动汽车设计中的巨大挑战是减少这些大功率负载的耗电量

  接下来最重要的任务是在汽车运行(特别是停车时)的区域提供足够多的充电站快速充电对最终用户非常重要,因为通常没有用户会愿意为充满电而等待两个小时以上的时间。在上班、商务拜访或购物期间,现代电动汽车必须是充满电的。此外,激励措施必不可少,如打折措施、替代能源及减少停车费。

  电动汽车的一个必不可少的配套元件是电池充电系统。其主要功能是将交流电(AC)转换为直流电(DC),执行功率因数校正(PFC)功能,以及匹配电池系统的充电制度(charging profile)。

  电池充电有两种主要解决方案以及各自的优势:

  1. 车载(On-board):来自电网的单相和三相交流充电

  - 易于连接电网。

  - 无需大型充电基础设施。

  2. 非车载(Off-board):超快速和大直流点非车载充电

  - 短时间、高功率、快充性能

  - 带通用大功率直流充电机的充电基础设施

  车载充电系统的一个关键部分是完全集成于车身网络的 AC/DC 转换器。它将汽车连接至交流电网并将交流电转换为直流电。由于是高电压应用的缘故,保证安全变得非常重要并在应用时需要遵循相应的标准。所有电子系统都需要满足这些汽车级质量标准。

  另一个选择是使用非车载 DC/DC 充电机向电动汽车输入高压直流电来取代交流电的方案。这种方案可以提供非常高功率的充电功能,不需要车载充电器,可帮助减轻车载充电器给车身带来的重量和节省很大的空间,只是仍然负责电池充电阶段的控制以及与非车载充电机的通信。这使汽车远离交流电压并不用去担忧其带来的相关安全隐患,此外还可以降低了ECU可能会承受的瞬间尖峰电压。市场上已有此类最大功率可达 50 kW 的工业充电机,它们将来会逐步投入到交通基础设施中去,如泊车区和公共汽车站。

  第三种方法是现已初露端倪的无接触感应充电。其目的是提供一种几乎无处不在的充电设施,以减少充电时间,以及提供几乎即时的充电服务。

  半导体主动和被动器件行业都需要设计新元件来降低电动汽车控制器和执行器的成本。其中机电一体化+ 高压驱动的解决方案是优化可靠性和提高效率的关键部分。多相转换器和逆变器是被重点关注的应用领域。所有主要元器件厂商都在研发高性价比的新元件和新技术,以满足大功率和高能量等级应用的需要。

  电动汽车中的主要元件有:

  · 用于电动机驱动和逆变器的IGBT模块

  · 高压MOSFET

  · 大电流滤波电感

  · 平面变压器

  · 光耦

  · 固态继电器

  · 高压分压电阻

  · PTC热敏电阻限流器

  · 高压二极管

  · 整流桥模块

  被动元件需要更多空间并具有较高的成本。其设计也比半导体主动元件模块的设计更关键。新电路拓扑致力于提高电路的开关频率,可以减小被动元器件(如变压器、滤波器和储能元件)的尺寸。这些拓扑包括可以用到的直流母线滤波的薄膜电容、用于直流母线或缓冲的铝电容,以及用于高压和大电检测的检测电阻。平面变压器有对高开关频率电路的独特解决方案,并可在高压DC/DC转换器应用中提供最佳效率。

  用于电动汽车的电子驱动分为两类:

  · 高压应用(150 VDC - 550 VDC电池线路)

  · 低压应用(12 V负载)

  应用于从高压锂电子电池转换到12 V输出的DC/DC降压转换器主要适用于100 W及以下的低功率负载。需要尽可能做高这些这些转换器的整体效率。

  电动汽车面临的最大挑战之一是确保使用高压半导体驱动的电机驱动的效率。此外,人身安全也是一个重要担忧。为避免高压开关出现火花,需要使用虚拟能量电阻对电池和其他元件放电,这可以快速消除能量,以避免起火。紧急断开电池连接是另一个需要优化的领域,需要对目前大而重的方案进行重新设计。

  如同常规汽车一样,电动汽车的系统设计工程师也想减少元器件的数量。实现该目标的一个例子是在3 kV功率等级及以下应用中,具有优异精度特性的新系列分压电阻。这些表面安装的高压分压电阻能够取代传统应用的20-40个单电阻。它们在目前用作浮点分压器,用来检测电路板系统的电压稳定性,以及支持压降调节,以提高效率。

  电动汽车的各种零件都伴随着其特有的挑战。例如,用于空调压缩机的电机驱动需要非常高效的隔离型DC/DC转换器。在这种应用的设计中,具有极低高度的分立元件起着重要作用。

  当电压在 30 VAC 和 60 VDC 以上时需要加强对人体的电击防护。低压(12 V)数字/模拟零件与高压端子间的电流隔离必不可少。

  下列这些领域会受到标准化的影响:

  · 能量储存系统

  · 汽车技术(电力电子和传动系统

  · 产品和操作安全(电气安全和功能安全)

  · 电磁兼容(EMC)

  · 插电式充电机(车载和非车载充电)

  电动汽车目前可支持短距离行驶(平均每天 50 公里,最多 100 公里),但还不能满足远距离行驶(大于 150 公里)的需求水平。由于目前电动汽车最终用户的价格高于常规汽车,所以投资于充电基础设施和发展替代能源(主要靠政府力量和激励措施)可促进纯电动汽车(BEV)的大规模发展。

关键字:汽车电子  电池技术  电动汽车

编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/qcdz/article_2016070815795.html
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