電動(dòng)汽車電池充電的主要解決方案

常規(guī)動(dòng)力汽車上的大多數(shù)新電子系統(tǒng)(除主動(dòng)安全、自主駕駛和信息娛樂(lè)系統(tǒng)之外)都可以被用于更大程度的幫助實(shí)現(xiàn)能量節(jié)省，例如通過(guò)直噴技術(shù)、起停系統(tǒng)和車身BLDC電機(jī)驅(qū)動(dòng)等車聲和底盤(pán)電子方式。二氧化碳排放法規(guī)(限制95克/千米)推動(dòng)了對(duì)提高燃料效率及汽車電氣化水平的緊迫需要，特別是在交通繁忙的市中心區(qū)和大都市，需要顯著降低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電動(dòng)汽車(EV)的未來(lái)趨勢(shì)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(chǔ)設(shè)施建設(shè)

●價(jià)格、激勵(lì)和稅收政策

●可靠性和維護(hù)成本

●安全性

當(dāng)車發(fā)生碰撞事故時(shí)，電子系統(tǒng)需要與所有儲(chǔ)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(duì)司機(jī)、乘客和緊急救援人員造成嚴(yán)重身體傷害。為了釋放諸如這些儲(chǔ)能元件中的能量，需要立即連接電阻性虛擬負(fù)載。

智能能量管理對(duì)確保所有安全相關(guān)的應(yīng)用(如制動(dòng)、轉(zhuǎn)向、雨刷、照明和被動(dòng)安全系統(tǒng)等)在長(zhǎng)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(jí)的安全電子系統(tǒng)，此外舒適電子系統(tǒng)也需要被重點(diǎn)考慮。夏季的空調(diào)，以及冬季的客廂供暖和車窗除霧是現(xiàn)代汽車必須具備的功能和設(shè)備。電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)中的巨大挑戰(zhàn)是減少這些大功率負(fù)載的耗電量。

接下來(lái)最重要的任務(wù)是在汽車運(yùn)行(特別是停車時(shí))的區(qū)域提供足夠多的充電站?？焖俪潆妼?duì)最終用戶非常重要，因?yàn)橥ǔ](méi)有用戶會(huì)愿意為充滿電而等待兩個(gè)小時(shí)以上的時(shí)間。在上班、商務(wù)拜訪或購(gòu)物期間，現(xiàn)代電動(dòng)汽車必須是充滿電的。此外，激勵(lì)措施必不可少，如打折措施、替代能源及減少停車費(fèi)。

電動(dòng)汽車的一個(gè)必不可少的配套元件是電池充電系統(tǒng)。其主要功能是將交流電(AC)轉(zhuǎn)換為直流電(DC)，執(zhí)行功率因數(shù)校正(PFC)功能，以及匹配電池系統(tǒng)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(shì)：

1. 車載(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(chǔ)設(shè)施。

2. 非車載(Off-board)：超快速和大直流點(diǎn)非車載充電

- 短時(shí)間、高功率、快充性能

- 帶通用大功率直流充電機(jī)的充電基礎(chǔ)設(shè)施

車載充電系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵部分是完全集成于車身網(wǎng)絡(luò)的AC/DC轉(zhuǎn)換器。它將汽車連接至交流電網(wǎng)并將交流電轉(zhuǎn)換為直流電。由于是高電壓應(yīng)用的緣故，保證安全變得非常重要并在應(yīng)用時(shí)需要遵循相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。所有電子系統(tǒng)都需要滿足這些汽車級(jí)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

另一個(gè)選擇是使用非車載DC/DC充電機(jī)向電動(dòng)汽車輸入高壓直流電來(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，不需要車載充電器，可幫助減輕車載充電器給車身帶來(lái)的重量和節(jié)省很大的空間，只是仍然負(fù)責(zé)電池充電階段的控制以及與非車載充電機(jī)的通信。這使汽車遠(yuǎn)離交流電壓并不用去擔(dān)憂其帶來(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)上已有此類最大功率可達(dá) 50 kW 的工業(yè)充電機(jī)，它們將來(lái)會(huì)逐步投入到交通基礎(chǔ)設(shè)施中去，如泊車區(qū)和公共汽車站。

第三種方法是現(xiàn)已初露端倪的無(wú)接觸感應(yīng)充電。其目的是提供一種幾乎無(wú)處不在的充電設(shè)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(dǎo)體主動(dòng)和被動(dòng)器件行業(yè)都需要設(shè)計(jì)新元件來(lái)降低電動(dòng)汽車控制器和執(zhí)行器的成本。其中機(jī)電一體化+ 高壓驅(qū)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(zhuǎn)換器和逆變器是被重點(diǎn)關(guān)注的應(yīng)用領(lǐng)域。所有主要元器件廠商都在研發(fā)高性價(jià)比的新元件和新技術(shù)，以滿足大功率和高能量等級(jí)應(yīng)用的需要。

電動(dòng)汽車中的主要元件有：

●用于電動(dòng)機(jī)驅(qū)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(shè)計(jì)也比半導(dǎo)體主動(dòng)元件模塊的設(shè)計(jì)更關(guān)鍵。新電路拓?fù)渲铝τ谔岣唠娐返拈_(kāi)關(guān)頻率，可以減小被動(dòng)元器件(如變壓器、濾波器和儲(chǔ)能元件)的尺寸。這些拓?fù)浒梢杂玫降闹绷髂妇€濾波的薄膜電容、用于直流母線或緩沖的鋁電容，以及用于高壓和大電檢測(cè)的檢測(cè)電阻。平面變壓器有對(duì)高開(kāi)關(guān)頻率電路的獨(dú)特解決方案，并可在高壓DC/DC轉(zhuǎn)換器應(yīng)用中提供最佳效率。

用于電動(dòng)汽車的電子驅(qū)動(dòng)分為兩類：

●高壓應(yīng)用(150VDC- 550VDC電池線路)

●低壓應(yīng)用(12 V負(fù)載)

應(yīng)用于從高壓鋰電子電池轉(zhuǎn)換到12 V輸出的DC/DC降壓轉(zhuǎn)換器主要適用于100 W及以下的低功率負(fù)載。需要盡可能做高這些這些轉(zhuǎn)換器的整體效率。

電動(dòng)汽車面臨的最大挑戰(zhàn)之一是確保使用高壓半導(dǎo)體驅(qū)動(dòng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)的效率。此外，人身安全也是一個(gè)重要擔(dān)憂。為避免高壓開(kāi)關(guān)出現(xiàn)火花，需要使用虛擬能量電阻對(duì)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(duì)目前大而重的方案進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。

如同常規(guī)汽車一樣，電動(dòng)汽車的系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師也想減少元器件的數(shù)量。實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)的一個(gè)例子是在3 kV功率等級(jí)及以下應(yīng)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(tǒng)應(yīng)用的20-40個(gè)單電阻。它們?cè)谀壳坝米鞲↑c(diǎn)分壓器，用來(lái)檢測(cè)電路板系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性，以及支持壓降調(diào)節(jié)，以提高效率。

電動(dòng)汽車的各種零件都伴隨著其特有的挑戰(zhàn)。例如，用于空調(diào)壓縮機(jī)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)需要非常高效的隔離型DC/DC轉(zhuǎn)換器。在這種應(yīng)用的設(shè)計(jì)中，具有極低高度的分立元件起著重要作用。

當(dāng)電壓在 30VAC和 60VDC以上時(shí)需要加強(qiáng)對(duì)人體的電擊防護(hù)。低壓(12 V數(shù)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(biāo)準(zhǔn)化的影響：

●能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)

●汽車技術(shù)(電力電子和傳動(dòng)系統(tǒng))

●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(jī)(車載和非車載充電)

電動(dòng)汽車目前可支持短距離行駛(平均每天50公里，最多100公里)，但還不能滿足遠(yuǎn)距離行駛(大于150公里)的需求水平。由于目前電動(dòng)汽車最終用戶的價(jià)格高于常規(guī)汽車，所以投資于充電基礎(chǔ)設(shè)施和發(fā)展替代能源(主要靠政府力量和激勵(lì)措施)可促進(jìn)純電動(dòng)汽車(BEV)的大規(guī)模發(fā)展。