订购电话:4008-888-888

澳博注册网站平台:电动汽车电力电子技术的发展

澳博注册网站平台:电动汽车电力电子技术的发展

详细介绍

澳博注册网站平台“深耕科技前沿动态,解读科技背后真相,瞄准科技产品评测”

动力系统电气化是电动汽车区别于传统燃油汽车的显著标志,并由此使汽车在全球能源体系中的地位和作用发生了重要的变化。电能在电动汽车动力系统内部、车辆与外电网之间的流动和利用具有高效、可靠的特点,这很大程度上依赖于电力电子技术。

澳博注册网站平台:电动汽车电力电子技术的发展趋势

澳博注册网站平台电动汽车电力电子部件是电动汽车动力系统中重要和关键的组成部分,其自身的性能对整车的动力性、经济性、可靠性、安全性、稳定性、舒适性等产生直接而重要的影响。电动汽车电力电子技术已经成为现代汽车领域关注和研究的热点。

澳博注册网站平台:电动汽车电力电子技术的发展趋势

▲ 插电式燃料电池乘用车的电气系统结构

澳博注册网站平台图中所示部件对电力电子技术都具有很强的依赖性。

电动汽车电力电子技术是以汽车构造与原理、现代电力电子学、计算机科学、电工学、电子学、控制理论等多学科理论为基础,面向电动汽车动力系统及部件的设计、研发、集成、制造、测试过程等常见技术问题,研究电力电子器件、电力电子电路及电力电子装置在电动汽车上应用的系统化知识或方法。

澳博注册网站平台:电动汽车电力电子技术的发展趋势

澳博注册网站平台澳博注册网站平台:电动汽车电力电子技术的发展趋势

电动汽车电力电子技术的特点

电动汽车电力电子技术的主要特点表现在以下几个方面。

澳博注册网站平台1) 高效率

高效率体现在电力电子器件和电力电子部件两个层次。对于电力电子器件而言,由于导通损耗和开关损耗不断降低,尤其是一些宽禁带(wide band gap, WBG)材料功率器件(如碳化硅器件、氮化镓器件)的出现和使用,大大提高了器件的工作效率;对于电力电子部件而言,采用一些先进的控制技术或进行电路拓扑结构优化,可以有效提高汽车电力电子部件的工作效率。

2) 高频率

高频工作是汽车电力电子器件的一个典型特征。大功率直流-直流变换器、电机控制器等电力电子器件的开关频率普遍不低于20kHz;在无线充电系统中,开关器件工作频率往往接近100kHz。较高的频率可以减轻因器件通断而引起的部件工作噪声对车辆司乘人员产生的影响,但也会增加设备的开关损耗,带来突出的汽车电磁兼容问题。

澳博注册网站平台:电动汽车电力电子技术的发展趋势

3) 高密度

由于汽车空间有限,同时各部件之间有机械、电气之间的连接和耦合,因此汽车部件的结构设计非常关键。电力电子部件应在满足整车的电气、机械、冷却的需求以及整车安装空间要求的前提下,尽可能提高重量功率密度(功率与重量的比值,单位kW/kg)以及体积功率密度(功率与体积的比值,单位kW/L)。电动汽车上采用的电力电子器件趋向于高度集成化,分立器件的使用越来越少。多器件模块化以及采用先进工艺可使电力电子器件以及电力电子部件的功率密度越来越高。

4) 智能化

对于电动汽车,大功率电力电子部件多采用高性能MCU 或控制类DSP,从而具有较好的控制精度和数据处理的实时性。虽然目前汽车电力电子电路和智能化控制技术的结合程度已经很高,但还有很大的发展空间。

5) 高性能电力电子器件的应用

与汽车电子领域类似电力电子学:电力电子变换和控制技术,许多半导体厂商针对汽车应用领域陆续推出了汽车级电力电子器件。这类器件为适应汽车恶劣的工作环境以及满足安全性、可靠性和耐久性的要求,普遍具有高结温、高效、高可靠性和长寿命的特点;同时,这类器件往往具有较高的成本。

6) 复杂的工况和频繁的变载

澳博注册网站平台:电动汽车电力电子技术的发展趋势

和一些工业用电力电子设备不同,电动汽车电力电子部件工作在较复杂的工况下,其电气载荷经常会发生剧烈变化。以纯电动汽车为例,驱动车辆所需的能量几乎全部经过电机控制器,而车辆自身质量的变化、驾驶员的操作习惯、实际道路条件等都对电机的输出功率产生较大的影响,相应地,电机控制器输出的电流、电压随之发生剧烈的波动。同样,对于一些车载直流-直流变换器来说,工况仍然比较复杂,只是相对于电机控制器,负载变化得相对平缓。频繁的变载对汽车电力电子部件的自身控制提出了很大的挑战,同时对电力电子器件的选择以及系统热管理提出了更严格的要求。

7) 突出的电磁兼容问题

电动汽车电力电子器件工作在高频开关状态,汽车电力电子部件主电路在两个或几个不同的电路结构之间不断切换,电路中的电压和电流含有丰富的高次谐波成分。高电压、大电流是汽车电力电子电路的普遍特点,较高的di/dt 和du/dt 除对电力电子器件本身产生较大的电气应力外,还会对外产生电磁干扰。

澳博注册网站平台:电动汽车电力电子技术的发展趋势

电动汽车电力电子技术的发展趋势

电动汽车电力电子技术的发展趋势主要体现在以下几个方面。

1) 节能高效

澳博注册网站平台:电动汽车电力电子技术的发展趋势

节能高效是汽车电力电子技术持续追求的目标。低效的汽车部件不仅会降低整车动力系统性能,而且可能增加车辆散热系统的成本和重量,进而增加整车装备质量、降低整车经济性和续驶里程。电动汽车电力电子部件的工作效率与电力电子器件的损耗、电路中无源元件(电感、电容等)的损耗密切相关,也与控制方法、电路工作模式具有较强的关联性。

2) 绿色环保

电磁兼容性是电力电子技术应用中的一个难点,如何抑制和降低电动汽车电力电子部件对汽车其他电气部件或系统产生的电磁干扰电力电子学:电力电子变换和控制技术,进而提高整车的电磁环境安全性是汽车电力电子学研究的热点问题。

3) 安全可靠

安全可靠是汽车上任何新技术被采用的一个前提,电动汽车所采用的电力电子技术也不例外。如何保证电力电子部件安全、可靠地工作,同时不对车辆其他部件产生不良影响,是摆在研发人员面前的一个重要课题。

4) 器件的定制化和模块化

受车辆空间和部件布置的限制,不同厂家、不同类型的车辆对汽车电力电子部件的外形、体积和重量提出了不同的要求,对电动汽车电力电子部件的核心——电力电子器件的需求也呈现出差异化的特点。根据不同整车或部件厂家提出的要求,实现电力电子器件定制化和模块化生产,是电动汽车电力电子器件的一个发展趋势。

澳博注册网站平台:电动汽车电力电子技术的发展趋势

澳博注册网站平台:电动汽车电力电子技术的发展趋势

▲ 分系统的测试与评价内容

5) 高度集成化

电动汽车电力电子部件通常都与动力系统直流母线进行连接电力电子学:电力电子变换和控制技术电力电子学:电力电子变换和控制技术,这为电力电子部件的物理性集成提供了条件。基于控制芯片超强的运算能力,用一片多核DSP 或高性能MCU对多个电力电子主电路进行控制,有利于动力系统中电能的协调控制。一些电动汽车电力电子部件并不同时工作,且主电路拓扑结构具有一定的相似性,因此可以通过辅助电路简化主电路结构,在物理性集成的基础上形成功能性集成。电力电子部件的高度集成化不仅有利于提高动力系统控制品质,还有利于提高功率密度、降低制造成本。

6) 宽禁带半导体材料器件的大规模应用

由于电动汽车电力电子器件的高温、高频率、高效率、高功率密度的工作特点,采用硅(Si)半导体材料制造的电力电子器件已经越来越难以满足电动车辆的需求。以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)为代表的宽禁带半导体材料具有宽的禁带宽度、高的热导率、高饱和电子漂移速度、极强的化学稳定性,用其制作的电力电子器件更适合电动汽车部件的使用。随着宽禁带电力电子器件设计与制造技术越来越成熟、市场的应用规模越来越大电力电子学:电力电子变换和控制技术,其成本的劣势将会在一定程度上得到弥补或消除。

7) 现代控制理论和控制方法的应用

澳博注册网站平台电力电子系统是一种非线性、变结构、电压电流经常突变的离散系统,特别是与一些负载(如电机)构成的系统具有非线性、强耦合、多变量的特征。经典的电路理论和控制方法有时无法直接处理电力电子系统的控制问题,也不能满足汽车对电力电子部件的安全、可靠、动态响应等方面的要求。此外,汽车多采用分层控制,如分为整车控制、动力系统控制以及部件控制,电动汽车电力电子部件除了要满足整车对自身的性能要求外,还要满足其他层次的控制要求。高性能微处理器在电力电子控制领域得到了普遍的应用,为一些复杂的控制算法提供了较好的实现手段。现代控制理论与控制方法由于具有自适应、自学习等特点,在电力电子控制领域具有较好的发展前景。