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智能伺服变压器:功率元件/电路保护满足电动车高功率电池需求

2018-07-02 08:46:58 德州信平电子有限公司 阅读

  电动车堪称当红炸子鸡。2017年7月Volvo宣布从2019年起,卖出的每一辆车都将配备电力驱动引擎;电动车制造商特斯拉(Tesla)预计将建造5座超级工厂,火力集中电动车制造和电池的开发;此外,日立汽车系统与本田汽车达成正式合作协定,成立新能源合资公司,积极研发电动汽车引擎系统。


  电动车产业日趋热门,带动电池相关产业快速成长,因此高能量密度与高功率密度的电池需求更加迫切。其中,背后的功率元件选用与电路保护模式也备受关注。


  新型绝缘闸双极电晶体(IGBT)设计是电池设计不可忽视得重要元件。以功率保护元件设计要点来说,新加坡商安富利技术顾问宋自恒表示,电动车IGBT设计需要考量电压及电流规格选用、驱动电路的设计,以及驱动IC电源为集中式多组输出或分散式单组输出的选用。目前可提供相对应的功率半导体元件供应商包含日立(HITACHI)、瑞萨(Renesas)、三菱电机(Mitsubishi)、安森美半导体(ON Semiconductor)与英飞凌(Infineon)等厂商。


  而上述这些功率半导体元件厂商,皆面临元件设计时,无可避免的四大挑战,包含


  .开关损耗需降低,使马达变得更小型、更轻巧,同时还需要在15~20kHz的频率范围(传统频率为5~10kHz)


  .减小寄生电感、电阻和热阻,传统打线(Wired Bonding)可改善为烧结组合(Sintered Compositions)


  .汽车世界中,作业温度范围,最低可以达到-40℃,因此当IGBT和二极体的击穿电压(BV)需耐至更低温度


  .降低成本、重量和尺寸大小


  另一方面,在电路保护设计方面,Littelfuse资深技术行销工程师游恭豪表示,车用零组件都需要通过AEC-Q101认证,即便是电路保护的保险丝亦是如此,其认证项目包含温度、湿度与温控,认证时间大约需要三个月。经过测试后,才能保证汽车可安全行驶于道路。


  游恭豪谈到,电池管理系统(BMS)功能是电动车最重要的部分,故车厂需确保BMS功能在任何异常状况下,都不受到影响或损坏。因此感测器线路保险丝(Sensing Line Fuse)保护位居要角。


  EV车辆中的电池管理系统是非常复杂的关键任务(Mission Critical)系统,需要将其放置在适当的位置并选择保护元件,以满足过压和短路保护效能。基于此,游恭豪将BMS保护分成六个区块来看,包含感测器线路保险丝产品选择、电池监测IC输入过电压保护、菊链I/F过电压静电放电(ESD)保护、控制器区域网路汇流排(CAN Bus)I/F过电压ESD保护与高电压/电流电力线保护。


  整体而言,游恭豪认为,锂电池技术将成为任何一种EV车辆的基础,除了功率密度和充电循环寿命的优点外,还需要大量的监测和保护。


四大要素缺一不可电动车储能设计当道


  辉能科技行销部经理许容祯谈到,电动车的安全、功率、价格与寿命是车厂在储能设计中主要的四大方针。以电池来看,现在所有电动车使用的锂电池,都是液态电池,无论电池芯怎么保护,只要穿刺后电解液体渗出,即有可能产生燃烧。


  许容祯指出,欧洲EUCAR安规对电池穿刺有明显定义,不过若要完成此规范,则门槛太高,故在中国电动车GEB规范中,无穿刺安规需求,但若此规范过关,未来极有可能产生多起事故发生的疑虑。


  怀格(Vicor)台湾区应用工程师杨有承以特斯拉Model S电池的并联和串联架构举例,该车款的车内电池架构是由16个模组串联在一起,其中,每个模组又分成六串,加上74颗电池芯并联而成,总共约有7,104颗锂电池芯。可以想像一台电动车中,有七百多支手机在其中。


  如何兼顾所有特性,同时又满足低价需求呢?许容祯谈到,每种车用材料贡献的效能都不一样,有些材料满足容量要求、有些则可提升安全性或功率,无论做哪些选择,都会牺牲掉一些需求。但整体而言,价格和安全诉求是影响性能选择的主要因素。


  举例来说,汽车长距离的行驶需要有较高的续航力,在中国地区,希望透过快充方式,使续航力能快速提升,主打充电5分钟、用电2小时的方针。但不可置否,快充是以大电流的方式,将电力输送到电池中,此运作模式会消耗车子的电池寿命。而另一方面,华为采用的方式,是在电池的负极里面,添加石墨稀提高寿命,但相对而言,就增加了制造成本。


安全/成本一步到位固态电池颠覆想像


  许容祯谈到,特斯拉在电池模组(Pack)端做很多保护,整车的电池芯比例大概只有30%,其体积能量密度很高;而三星的策略是提供较小的体积能量密度给BMW,具有高安全性,因此其电池芯占整车的53%。换言之,对电动车电池来说,需要一半或七成的比例建立保护机制。


  相对而言,若采用固态锂电池方案,则可同时降低电池模组的保护机制与成本。许容祯提到,可燃物质、氧和热是导致燃烧的三要素,若缺少其中一样,就无法燃烧起火,而固态锂电池本身没有可燃的液态解液体,能保障安全与稳定,再者,若采用好散热的材质,就可以在电池模组端,降低冷却系统的成本。


  不仅如此,固态锂电池还能实现无极电池(Bi-parallel)技术,亦即能于电池芯中达成串联效果,据了解辉能已能满足一颗电池芯内可完成32串联规格。目前Bi-parallel技术还在起步阶段,一旦可以做到一颗电池芯70安培,一颗电池44.4V的规格,就不需要太多额外的串/并联,达到电动车规格需求,同时还能节省BMS成本。


解决可靠度/EMI问题掌握充电架构系统


  工研院机械所智能车辆技术组系统整合与应用部副经理林金亨表示,台湾厂商基本上已具备制造车用电力转换器能力,其主要挑战来自于可靠度与低电磁干扰(EMI)有待克服,导致布局电动车市场难以有突破性的进展。


  林金亨谈到,由于车内空间有限,故在挑选架构就格外重要。电力转换器架构来说,成品做出来只需一年时间,但成品完成后,需经过一系列标准测试、环境验证过程,再者,成本效益与散热问题也不容轻忽。基于此,采用何种充电器加装在车上,如何摆放、确认采用标准,皆须在产品设计之前就考虑周到。


  电动车的主要电力来自电池,充电方法可分为三种,包含马达驱控器(Motor Controller and Inverter)、车载充电器(On-board Charger)和交/直流连接器(Charging Connector),以及直流快充连接器(Quick Charging Connector);其中,充电形式有两种,充电式与电池交换的模式。


  后者电池交换的模式,在某些应用场景也非常方便,例如香港机场的电动行李拖车就是采用这种方式进行供电。整体而言,通常机场拖车一天约有两小时的休息时间,因此要将电动车的电池充满8小时是不太可能的,故香港机场购置百辆电动行李拖车,并额外购买三成的电池,透过电池交换的方式,将电池移到外面充电再将充饱电力的电池放回拖车中,提升工作效率。


  不过,一般而言,充电式是电动车普遍采用的充电模式,可分为接触式充电与非接触式。以接触式的充电来看,分为交流充电与直流充电;前者的特色在于整体建置较便宜、安全性高、且可建置的地点多元、需要的面积也较小,但缺点在于充电需要的时间较长,充电插头尚未统一。相反的,直流充电的充电时间较短,可减少车用电池的重量与价格,不过电力高有危险性,整体建置价格也较高,所需耗费金额约五十万至一百二十万台币。


金属异物干扰不容轻忽高功率无线充电登场


  另一方面,非接触式充电方式,非无线充电莫属,其安全机制是首要考量要素。富达通无线充电事业部经理詹其哲表示,无线充电式透过发射高能量的电磁波来传送电力,不过,在发射端上的物品不一定是预期的待充物,当发射端上有金属成分的异物时,高能电磁波被金属物吸收后温度会升高,将导致意外发生,因此需有完善的金属异物侦测机制,避免灾害降临。


  詹其哲提到,在无线充电系统之中,金属异物危害设计是最难的挑战。当无线充电系统检测到金属时,必须立即关闭能量输出,其核心技术是做好资料码传送与功率调节的效能。当无线充电发射端侦测到金属异物时,可利用编码内容进行控制,停止发送能量到接收端;此外,还可依照受电端需求自动调整输出功率。功率调节可由八步骤进行,


  1.预设定受电端电压目标


  2.受电端将侦测到的电压编码反馈


  3.供电端解码取得受电端电压资料


  4.计算新的目标线圈电压


  5.降低频率提高线圈振幅或提高频率降低线圈振幅


  6.重新量测线圈电压


  7.检查是否已经达到目标电压


  8.功率调节结束


  当执行完上述八个步骤后,可返回第一个步骤进行下次调节。高速调节功率性能快速,通常步骤4~8仅需花费2秒。


  整体而言,詹其哲认为,电动车的无线充电功率商品化最低门槛为3KW,充电效率必须高于97%。若在3KW下效率90%的状况下,约有300W的能量损耗。一般状况下100W的损耗就会散发出相当大的热能与电磁能量。基于此,若要将3KW功率控制损耗在100W内,效率推算应该为97%。此外,安全的控制系统与实用的辅助停车是不可或缺的要素;要维持高效率,供电端与受电端线圈需要对准,而就算线圈做大后,停车可偏移距离也只有10~20公分的范围内,驾驶者要准确停车难度较高,故需导入自动驾驶予以协助。


了解关键元件验证要点加速布局车用市场


  德国莱因(TüV)交通运输服务型式认证&智能运输系统专案工程师陈郁名表示,除了美国有自己的规范之外,目前大多数国家的进/出口汽车,都跟随欧盟法规。其中,欧盟法规制定的三阶段,首先,是政府强制要求的Recommendations,像是电池环保指令(Battery Directive)2006/66/EC;其次,是Standards,像是一般常见的规则、指南,包含ISO、 IEC、DIN、JIS和CNS的标准,无强制性,可作为分级标准;最后则是Regulations,为当地法规,具有强制性。有可能完全遵照法规内的描述,或做些许修改。


  以电动车立法的基准来自于UN R ECE、EC和StVZO。目前许多车用产品采用UN R ECE规范,现已约有六十几个国家以此规范为主,如日本;而德国则是以StVZO为主。不过,即便车厂符合EC and ECE法规,但也要满足当地法规的其他要求,才能产品上市。


  一般来说,电动车允许在特定国家/地区销售产品之前,需要进行型式认可。陈郁名谈到,以台湾来说,在认证过程会由国家政府单位负责检查,评断是否通过认证;而欧洲国家,则是透过认证公司,确认测试流程是否有通过认证。


  基于此,通过认证首要知道事先了解产品,做一些咨询服务(Consulting Services),而后进行资格审查的申请,基本上须通过ISO 9000,或由发声单位或认证单位到场认证,确认是否为合法工厂或经销商。当验证确认符合批准类型的程序后,进入到法规测试程序,接下来就是一系列的检查、证明与符合性测试等过程。


提升差异化/设计品质台芯片厂抢占EV版图


  整体而言,未来电动车的价格供应会日趋便宜并提供更好的续航力,而获取能源的方式也会更加多元化,像是使用风力或太阳能发电导入车辆电池充电,而这些趋势将促使电动车逐渐取代汽油车或油电混和车。


  杨有承分析,现今电动车市场大多聚集在国外,若本身没有品牌力的支撑,难有长足的进展。他认为,电动车市场与台湾本土市场息息相关,一方面需仰赖政府鼓励投资,二方面相关供应商需研发特殊技术满足差异化需求,提高本身技术能力。


  宋自恒谈到,台湾未来布局电动车市场,可由两面向着手,针对中小企业的厂商,可提供高品质的零组件服务欧美日中等大厂,或是为大厂代工或设计马达或驱动器等关键零组件;而一些规模较大的公司,如鸿海可自行研发制作厂内电动车和收购其他车厂。


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