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电动汽车电源管理技术的最新进展

今后势必还涌现更多开发成果,改进系统, 造福地球


  来源: 盖世汽车 时间:2020-01-16 编辑:马致远
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由石化燃料引擎驱动的汽车加剧了地球的温室效果,如何不断降低温室气体的排放,以推动汽车业的替代技术,目前唯一可行的方案是——电力(Electricity)。

电动汽车整合了一种全新架构的动力传动系统,电动汽车系统由电动马达、电转换器和储能装置(如锂离子电池)组成。这种新的架构系统必须经过优化,以便最大限度地提高系统效率,使汽车在单次充电就能达到最长的行驶距离,电子技术的发展为减少交通运输的气体排放量带来重要的推进力。


电动汽车(EV)和混合动力汽车(HEV)

电动汽车靠电池行驶,给汽车供电的技术要想获得成功并拥有美好的未来,能效是关键,因此需要智能的电源管理机制,最大化地提高将电池能量转换为车轮机械驱动力的效率,从而增加单次充电的行驶距离,同时不增加碳排放,理想情况下更是能显著降低碳排放。


电动汽车的碳化硅(SiC)功率

电动汽车的重量、体积和成本,以及单次充电的行驶距离与电力转换系统的效率直接相关。SiC电源组件非常适合在汽车常见的高温环境中工作。让我们仔细看看SiC电源组件如何提高系统效率。

更轻的重量意味着里程数的延长。降低电源转换系统的重量、成本和尺寸的一种典型方式是提高开关稳压器的开关频率。我们都知道,在较高频率点工作时,电感、电容和变压器等主动组件的尺寸和重量可以缩小。

虽然硅(Si)电源组件也能工作在高频,但SiC的优势是能够处理比Si高得多的电压。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阻塞电压)。宽带隙SiC组件的高压能力允许它们具有更低的导通电阻,从而实现更快的开关速度和单极性工作状态,部分原理是其载频需要被加速至更高的速度(更高的动能)来克服更宽的能隙。

虽然砷化镓(GaA)和氮化镓(GaN)也具有很高的临界电场,也是针对大功率解决方案的改进型组件,但SiC还有其他优势。诸如更高的最大工作温度,很高的德拜温度(Debye temperature),很高的热传导性(在多晶SiC中),在电场中实现快速开关和低电阻率的高载流子饱和速度,方便生成二氧化硅(SiO2)带来的更低的生产成本,以及很高的阈值能量导致更强的辐射硬化(radiation hardening)。

SiC组件在电动汽车中有许多关键应用。现有的电力牵引驱动装置能够将85%的电能转换为机械动能以驱动车轮,这个效率是相当高的,但SiC也能协助提高效率。电能转换器能受益于效率的改进,因为它能将电池能量传递给发动机,而且能在电池充电器电路和任何需要的辅助电源中使用(图1)。

图1 SiC电源组件在电动汽车中有许多用途


将750V转换到27V供低压电动汽车使用的SiC电源供应,是用SiC功率组件提高电动汽车效率的很好例子。这种架构将效率从88%提高到了惊人的96%,将尺寸和重量减少了25%,并且与Si解决方案相比不需要用风扇来冷却多余的热量。表1显示电动汽车SiC功率组件的一些重要应用。

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是指辅助电源)


电动汽车的GaN功率

GaN对于电动汽车的电源改进也功不可没。马达驱动和直流/直流控制中广泛使用的绝缘栅双极晶体管(IGBT)一直是基于Si的产品。这些设计的开关时间通常在10k~100kHz数量级,而GaN组件的开关时间可以达到奈秒(ns)级,并且能够轻松地在200℃的汽车环境下工作。

就像SiC一样,GaN组件由于具有更高的开关速度,因此也能缩小电源架构中电感、电容和变压器的尺寸,还能因被动组件尺寸的缩小而减少总体积和重量。

我们将根据电动汽车电池的化学成分分析它们的功效,比如基于锂的化学成分以及具有高能量密度的镍氢电池(NiMH)。如前面SiC组件部分所述,为了使一次充电能够行驶更长的距离,同样需要提高电源转换架构的效率。

Si组件的开关速度和最小导通电阻已经达到最大极限,GaN似乎是超越这些极限的一种可行的方案。实验表明,如果开关频率可以提高5倍,电感和电容的体积就可以缩小至五分之一。今天的GaN技术可以支持很高的速度。

关键词:电力储能 电源 变压器    浏览量:241

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