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電源管理在電動車的重要性
關鍵就在交換電源供應器

【作者: Nagarajan Sridhar】   2014年05月26日 星期一

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過去數十年間,拜零組件尺寸縮小所賜,汽車系統電力負載逐漸改變,從照明與電池充電,轉向資訊娛樂、感測與安全,讓汽車更具智慧,也增添駕駛樂趣。未來電子學趨勢除了資訊娛樂系統的持續發展,亦包括改良了引擎動力推進系統,如引擎本體、傳輸、控制等,若在動力推進系統內結合電力負載,並取代傳統機械與水壓負載,將可提升效能。這項趨勢逐步專注於油電混合車與電動車,同時也讓二氧化碳排放量標準更加嚴格。


需求成長後,傳統12V動力系統面臨更大挑戰,如必須提高電壓,才能在處理引擎動力負載時兼顧效能與彈性,而電力電子學進步後,交換電源供應器(SMPS)可提供必要的基礎。換言之,要在電池與負載之間建立多種電源調節系統。此外,世界多國已提高燃料效能標準,對傳統燃料車輛而言,燃料效能意指每加侖行駛里程數,對電動車或油電混合車而言,則代表單次充電的行駛里程數。運用電力電子線路後,系統可降低尺寸與重量,形成提升燃料效能的基礎。


電力電子系統採用以矽為基礎的電源管理與功率半導體開關,這些開關包括MOSFETs、絕緣閘雙極電晶體(IGBTs)及各種二極體,來大幅改善效能。


本文檢視電動車內的電力電子系統,並著重於引擎動力推進系統,亦介紹系統內的高溫要求,以及電力電子學如何因應。


較高的電壓系統

如前所述,仰賴12V電池運作的系統面臨更多挑戰,究竟在引擎動力推進系統裡,還有哪些更高電壓的選擇,能與12V電池和電力負載相容?在新架構中,內燃引擎(ICE)與油電混合車採用48V系統,而電動車則是另外採用400V-200V系統。


高電壓可簡化系統線路與減輕重量,也直接降低車輛總重,亦可克服12V系統的其他缺點。48V系統可使用的負載範例包括發電器、起動器、電子輔助轉向、電力捲動穩定、交流電壓縮器、電熱、電力泵浦(水、油、真空)等。


交換電源供應器概念

交換電源供應器(SMPS)以時常開關運轉的半導體裝置為基礎,理論上不會造成任何電源損耗(關閉狀態為零電流與零電壓),應可達到100%效能,開關時使用脈衝寬度調變器(PWM),亦可在高切換頻率下運作,縮小轉換器尺寸,因此在汽車引擎動力推進系統中,可使用三種類別電源調節器:AC/DC(整流器)、DC/DC(轉換器)、AC/DC(逆變器)


傳動系統的SMPS應用

電動車、油電混合車與內燃引擎在傳動系統內,主要都會需要SMPS調節器,它的類別有:


‧ 再生制動(AC/DC)


‧ 板載充電(AC/DC)


‧ 雙電池系統(DC/DC)


‧ 鋰離子電池管理


‧ 48V-12V雙向電源


‧ 400V電池(僅限純電動車)


‧ 雙向400V-12V電源(DC/DC)


‧ 牽引動力馬達(DC/AC)


DC/DC轉換器

依據電力負載安全需求,電源調節系統有多種基本拓樸可供選擇,分為隔離拓樸與非隔離拓樸。整體而言,兩種拓樸都會在動力推進系統內使用,依據負載與標準需求而異,但不論類別,市場趨勢均傾向軟性切換概念,使用LLC或共振模式,軟性切換意指開關所受壓力較低,提升轉換器使用壽命與可靠性,對汽車市場而言至關重要。


電動車與油電混合車/內燃引擎各有不同的雙向電源轉換器,分別為400V-12V與48V-12V,圖1.呈現了不同相關負載的48V-12V網絡,這些轉換器平常運作採降壓模式,電源從高電池電壓流向低電壓(12V),例如再生制動或暖啟動;而在冷啟動模式中,電源流動採升壓模式(12V至較高電壓),通常是因為48V或400V(鋰離子)電池無法驅動馬達,需要備用電源。


依據1至3kW功率的位準不同,若需要隔離,可選用全橋拓樸,非隔離案例可採升降壓拓樸,這些轉換器均以MOSFET功率開關為基礎,切換頻率極高(通常為50-500 kHz)。



圖一 : 48V-12V雙向電源與電力負載
圖一 : 48V-12V雙向電源與電力負載

牽引逆變器(DC/AC)

為將電力轉換為車輛運作所需的機械動力,需要馬達,過去直流電馬達因簡單、易控制而獲青睞,但是直流電馬達並不可靠,效能也不及交流電馬達;此外,交流電馬達體積較小、零件較少,可靠性也相對較高。


因此無論是電動車、油電混合車或內燃引擎,電池內的電力必須從直流電轉換為交流電,馬達才能運作,這些牽引逆變器通常轉移數10 kW的電力,故在全橋拓樸內使用的開關為IGBT(獨立或智慧電力模組,依據電流需求而定)。


功率電子元件

不論電源調節系統類型為何(DC/DC、AC/DC或DC/AC),都需要控制器與閘極驅動器,目前若要選擇類比或數位控制器,大多取決於車輛或電源製造商需求,考量因素包括成本、彈性、整合、可靠性,以及數位控制器是否有寫入韌體;挑選閘極驅動器時,驅動電流受多項因素影響,包括所需的半導體開關、減少零組件數量(單通道或橋驅動器)、停滯時間控制等功能、以調適性延遲避免上下側開關與隔離之間的衝過現象等,目前市面上已推出多項汽車級類比或數位控制器及閘極驅動器,用於切換電力電子開關。


高溫需求

車輛行駛一段時間後,打開車蓋時,常會感受到熱氣迎面而來,因為動力推進系統與引擎等次系統(內燃或馬達)運作時,溫度超過攝氏125度。


電力電子系統的價值在於高傳輸效率與體積較小,故汽車重量較輕,且減少零組件後,可提升車輛可靠性。


體積與尺寸縮小後,動力密度提高,尤其是動力推進系統內所需的kW高動力轉移,然而,熱耗散反成了問題。故除了縮小尺寸,熱能管理亦為燃料效能改善關鍵,若使用矽製MOSFETs與IGBTs等市售電源開關,仍有限制必須克服。


例如在高溫下,矽製電源開關會面臨逆向恢復與損壞問題(表1.),若在電力電子線路中,使用矽製開關,必須增加水套與大型銅箱等冷卻系統,以處理高溫問題,但也因此影響車體大小、重量與成本。



表一 : 矽與碳化矽特質
表一 : 矽與碳化矽特質

@內文:碳化矽等寬能帶半導體運作溫度較高(稱為接面溫度)、熱傳導能力較傳統矽製程高出二至三倍、崩潰電壓較高、開關頻率彈性較高、電力損耗微乎其微。由於碳化矽運作溫度較高,故線路可配置於高溫處,熱傳導能力高則可免除水套與大型銅箱,MHz切換速度快可縮小電源線路整體尺寸。


結論

本文探究在汽車動力推進系統的高電壓需求下,電力電子學使用SMPS的價值為何,之後探討電源調節器在其中必須驅動各種負載,以及為此設計的拓樸類型。DC/DC雙向電源與DC/AC牽引逆變器需要不同的半導體開關、控制器與閘極驅動器;文末論及採用碳化矽等切換頻率較寬半導體的價值,為傳動系統的高溫應用中帶來成功。


(本文作者現擔任德州儀器 電源管理高效能隔離式電源解決方案 產品市場經理)


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