效率達(dá)98.7%的電動(dòng)車DC-DC轉(zhuǎn)化器

日前，由賽車運(yùn)動(dòng)及技術(shù)公司Prodrive領(lǐng)導(dǎo)的合作聯(lián)盟宣布成功研制出一種可應(yīng)用于電動(dòng)車的基于碳化硅的多端口DC-DC轉(zhuǎn)化器。該碳化硅多端口 DC-DC轉(zhuǎn)化器可以控制利用多種能量來源，因此其工作效率可以達(dá)到98.7%。同時(shí)，與基于單硅的轉(zhuǎn)化器系統(tǒng)相比，以上碳化硅多端口DC-DC轉(zhuǎn)化器不僅可以提升能量密度，而且還可以降低轉(zhuǎn)化器的大小和重量。

該碳化硅多端口DC-DC轉(zhuǎn)化器最重要的一點(diǎn)就是其采用了碳化硅作為其基本材料。與單硅材料相比，碳化硅材料的運(yùn)行頻率更高。測試車輛采用的碳化硅多端口 DC-DC轉(zhuǎn)化器的試驗(yàn)頻率可以達(dá)到75000赫茲，通過提高能量轉(zhuǎn)換器的額定運(yùn)行頻率可以大大降低系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換損耗。此外，通過利用碳化硅材料還可以大幅縮小能量轉(zhuǎn)換器中磁性元件的尺寸大小，使轉(zhuǎn)化器的工作效率可以達(dá)到98.7%。以上采用碳化硅材料的多端口DC-DC轉(zhuǎn)化器的重量功率密度可以達(dá)到 10.5千瓦/千克，其體積功率密度則可以達(dá)到20千瓦/升。

與普通材料的能量轉(zhuǎn)換器相比，碳化硅材料能量轉(zhuǎn)換器可以承受更高的工作溫度。這樣一來，碳化硅材料能量轉(zhuǎn)換器就可以集成到電力電子中，甚至可以集成到混合動(dòng)力系統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)的冷卻系統(tǒng)中。

DC-DC能量轉(zhuǎn)化器作為車輛高電壓電氣系統(tǒng)的能量傳輸樞紐。其包含四個(gè)端口：其中兩個(gè)端口連接在牽引電機(jī)和高壓電池上;第三個(gè)端口連接在輔助備用電源上，在此次的測試車中第三個(gè)端口連接的是測試車的車載超級電容組;最后第四個(gè)端口連接到了車輛的12伏驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中。

DC-DC能量轉(zhuǎn)化器可以接收到來自外部監(jiān)視控制器系統(tǒng)總線(Controller Area Network，CAN)中的指令并作出響應(yīng)，其還可以匹配不同系統(tǒng)的不同電壓值并在彼此之間進(jìn)行能量傳遞。

此次進(jìn)行測試的車輛采用了塔塔汽車的Vista EV車型，該Vista電動(dòng)汽車車型是由華威(Warwick)塔塔汽車歐洲技術(shù)中心(Tata Motors European Technical Centre)研發(fā)的，其采用的是220伏電池和37千瓦牽引電機(jī)。此外，以上Vista電動(dòng)汽車測試車輛還配備了兩個(gè)200千焦耳的超級電容器組，其電壓工作區(qū)間在75伏-150伏之間。

來自Prodrive公司的電氣系統(tǒng)和控制專家Mark Willows表示：“在人們?nèi)粘ｑ{駛中，能量轉(zhuǎn)化器可以提高電池電壓到400伏左右以優(yōu)化電動(dòng)機(jī)的性能表現(xiàn)。同時(shí)在車輛駕駛過程中如有需要，能量轉(zhuǎn)化器也可以從超級電容組中吸取額外的能量。而在能量回收階段，能量轉(zhuǎn)化器在接受到外部控制器指令情況下可以將車輛的能量回收至電池或超級電容組中儲存起來。另外，能量轉(zhuǎn)化器也可以實(shí)現(xiàn)電池和超級電容端口之間的直接能量傳輸。該能量轉(zhuǎn)化器系統(tǒng)可以通過適配器與其他的能量源完成匹配。例如，能量轉(zhuǎn)化器不僅可以與燃料電池匹配還可以與多個(gè)牽引電機(jī)進(jìn)行匹配傳輸能量。”

目前有消息稱，Prodrive合作技術(shù)聯(lián)盟正在進(jìn)行一個(gè)后續(xù)項(xiàng)目。該項(xiàng)目主要研究提高能量轉(zhuǎn)化器的工作電壓至750伏。這樣一來可以進(jìn)一步提高工作能量密度，提升系統(tǒng)的最高可工作溫度。

Mark Willows表示：“針對以上能量轉(zhuǎn)化器后續(xù)項(xiàng)目，我們已經(jīng)開發(fā)了一套基于輕型商用車底盤的滾動(dòng)試驗(yàn)臺。以上輕型商用車底盤采用的是75千瓦牽引電機(jī)，其儲能裝置包括一個(gè)320 伏的鋰離子電池和兩個(gè)超級電容組。其中這些裝置都是Prodrive公司針對以上項(xiàng)目專門設(shè)計(jì)研制的。”

此次Prodrive領(lǐng)導(dǎo)的合作技術(shù)聯(lián)盟得到了技術(shù)戰(zhàn)略委員會的大力支持。另外，參與到該項(xiàng)目的還包括曼徹斯特大學(xué)(University of Manchester)、塔塔汽車歐洲技術(shù)中心、 IST電源產(chǎn)品有限公司(IST Power Products)，雷錫恩系統(tǒng)公司(Raytheon Systems)和SCISYS公司等。

Prodrive公司自2001年開始四驅(qū)油電混合動(dòng)力原型的研發(fā)工作以來，至今已經(jīng)有超過十年的混合動(dòng)力和純電動(dòng)汽車的項(xiàng)目研發(fā)經(jīng)驗(yàn)了。 Prodrive公司參與了大量的混合動(dòng)力和純電動(dòng)汽車的相關(guān)研發(fā)工作，其中包括摩托車、通勤車、客車和卡車等新能源原型機(jī)的開發(fā)、同類電力技術(shù)的研發(fā)以及多種電力技術(shù)的研發(fā)等工作。其中多種電力技術(shù)主要涉及到混合動(dòng)力電池、超級電容、燃料電池以及高速電機(jī)等。