電動(dòng)汽車(chē)電池充電的主要解決方案

常規動(dòng)力汽車(chē)上的大多數新電子系統(除主動(dòng)安全、自主駕駛和信息娛樂(lè )系統之外)都可以被用于更大程度的幫助實(shí)現能量節省，例如通過(guò)直噴技術(shù)、起停系統和車(chē)身BLDC電機驅動(dòng)等車(chē)聲和底盤(pán)電子方式。二氧化碳排放法規(限制95克/千米)推動(dòng)了對提高燃料效率及汽車(chē)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(zhù)降低CO2和顆粒物排放，以維持空氣質(zhì)量。

下列因素代表和影響著(zhù)電動(dòng)汽車(chē)(EV)的未來(lái)趨勢及成功發(fā)展：

●電池技術(shù)–能量密度、尺寸和價(jià)格

●行駛里程及效率

●充電性能、時(shí)間及基礎設施建設

●價(jià)格、激勵和稅收政策

●可靠性和維護成本

●安全性

當車(chē)發(fā)生碰撞事故時(shí)，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(kāi)連接。直接接觸高電壓會(huì )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(guān)的應用(如制動(dòng)、轉向、雨刷、照明和被動(dòng)安全系統等)在長(cháng)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(yōu)先級的安全電子系統，此外舒適電子系統也需要被重點(diǎn)考慮。夏季的空調，以及冬季的客廂供暖和車(chē)窗除霧是現代汽車(chē)必須具備的功能和設備。電動(dòng)汽車(chē)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(lái)最重要的任務(wù)是在汽車(chē)運行(特別是停車(chē)時(shí))的區域提供足夠多的充電站?？焖俪潆妼ψ罱K用戶(hù)非常重要，因為通常沒(méi)有用戶(hù)會(huì )愿意為充滿(mǎn)電而等待兩個(gè)小時(shí)以上的時(shí)間。在上班、商務(wù)拜訪(fǎng)或購物期間，現代電動(dòng)汽車(chē)必須是充滿(mǎn)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(chē)費。

電動(dòng)汽車(chē)的一個(gè)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(yōu)勢：

1. 車(chē)載(On-board)：來(lái)自電網(wǎng)的單相和三相交流充電

- 易于連接電網(wǎng)。

- 無(wú)需大型充電基礎設施。

2. 非車(chē)載(Off-board)：超快速和大直流點(diǎn)非車(chē)載充電

- 短時(shí)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(chē)載充電系統的一個(gè)關(guān)鍵部分是完全集成于車(chē)身網(wǎng)絡(luò )的AC/DC轉換器。它將汽車(chē)連接至交流電網(wǎng)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(shí)需要遵循相應的標準。所有電子系統都需要滿(mǎn)足這些汽車(chē)級質(zhì)量標準。

另一個(gè)選擇是使用非車(chē)載DC/DC充電機向電動(dòng)汽車(chē)輸入高壓直流電來(lái)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(chē)載充電器，可幫助減輕車(chē)載充電器給車(chē)身帶來(lái)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(chē)載充電機的通信。這使汽車(chē)遠離交流電壓并不用去擔憂(yōu)其帶來(lái)的相關(guān)安全隱患，此外還可以降低了ECU可能會(huì )承受的瞬間尖峰電壓。市場(chǎng)上已有此類(lèi)最大功率可達 50 kW 的工業(yè)充電機，它們將來(lái)會(huì )逐步投入到交通基礎設施中去，如泊車(chē)區和公共汽車(chē)站。

第三種方法是現已初露端倪的無(wú)接觸感應充電。其目的是提供一種幾乎無(wú)處不在的充電設施，以減少充電時(shí)間，以及提供幾乎即時(shí)的充電服務(wù)。

半導體主動(dòng)和被動(dòng)器件行業(yè)都需要設計新元件來(lái)降低電動(dòng)汽車(chē)控制器和執行器的成本。其中機電一體化+ 高壓驅動(dòng)的解決方案是優(yōu)化可靠性和提高效率的關(guān)鍵部分。多相轉換器和逆變器是被重點(diǎn)關(guān)注的應用領(lǐng)域。所有主要元器件廠(chǎng)商都在研發(fā)高性?xún)r(jià)比的新元件和新技術(shù)，以滿(mǎn)足大功率和高能量等級應用的需要。

電動(dòng)汽車(chē)中的主要元件有：

●用于電動(dòng)機驅動(dòng)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(tài)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(dòng)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(dòng)元件模塊的設計更關(guān)鍵。新電路拓撲致力于提高電路的開(kāi)關(guān)頻率，可以減小被動(dòng)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(xiàn)濾波的薄膜電容、用于直流母線(xiàn)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(kāi)關(guān)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(dòng)汽車(chē)的電子驅動(dòng)分為兩類(lèi)：

●高壓應用(150VDC- 550VDC電池線(xiàn)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(dòng)汽車(chē)面臨的最大挑戰之一是確保使用高壓半導體驅動(dòng)的電機驅動(dòng)的效率。此外，人身安全也是一個(gè)重要擔憂(yōu)。為避免高壓開(kāi)關(guān)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(kāi)電池連接是另一個(gè)需要優(yōu)化的領(lǐng)域，需要對目前大而重的方案進(jìn)行重新設計。

如同常規汽車(chē)一樣，電動(dòng)汽車(chē)的系統設計工程師也想減少元器件的數量。實(shí)現該目標的一個(gè)例子是在3 kV功率等級及以下應用中，具有優(yōu)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(gè)單電阻。它們在目前用作浮點(diǎn)分壓器，用來(lái)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(dòng)汽車(chē)的各種零件都伴隨著(zhù)其特有的挑戰。例如，用于空調壓縮機的電機驅動(dòng)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(zhù)重要作用。

當電壓在 30VAC和 60VDC以上時(shí)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(lǐng)域會(huì )受到標準化的影響：

●能量?jì)Υ嫦到y

●汽車(chē)技術(shù)(電力電子和傳動(dòng)系統)

●產(chǎn)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(chē)載和非車(chē)載充電)

電動(dòng)汽車(chē)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(mǎn)足遠距離行駛(大于150公里)的需求水平。由于目前電動(dòng)汽車(chē)最終用戶(hù)的價(jià)格高于常規汽車(chē)，所以投資于充電基礎設施和發(fā)展替代能源(主要靠政府力量和激勵措施)可促進(jìn)純電動(dòng)汽車(chē)(BEV)的大規模發(fā)展。