電動汽車電池充電的主要解決方案

    常規(guī)動力汽車上的大多數(shù)新電子系統(tǒng)(除主動安全、自主駕駛和信息娛樂系統(tǒng)之外)都可以被用于更大程度的幫助實現(xiàn)能量節(jié)省，例如通過直噴技術、起停系統(tǒng)和車身BLDC電機驅(qū)動等車聲和底盤電子方式。二氧化碳排放法規(guī)(限制95克/千米)推動了對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汽車(EV)的未來趨勢及成功發(fā)展：
    ●電池技術–能量密度、尺寸和價格
    ●行駛里程及效率
    ●充電性能、時間及基礎設施建設
    ●價格、激勵和稅收政策
    ●可靠性和維護成本
    ●安全性
    當車發(fā)生碰撞事故時，電子系統(tǒng)需要與所有儲能元件(如電池、電容和感性元件)斷開連接。直接接觸高電壓會對司機、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的應用(如制動、轉(zhuǎn)向、雨刷、照明和被動安全系統(tǒng)等)在長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(tǒng)，此外舒適電子系統(tǒng)也需要被重點考慮。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備。電動汽車設計中的巨大挑戰(zhàn)是減少這些大功率負載的耗電量。
    接下來最重要的任務是在汽車運行(特別是停車時)的區(qū)域提供足夠多的充電站?？焖俪潆妼ψ罱K用戶非常重要，因為通常沒有用戶會愿意為充滿電而等待兩個小時以上的時間。在上班、商務拜訪或購物期間，現(xiàn)代電動汽車必須是充滿電的。此外，激勵措施必不可少，如打折措施、替代能源及減少停車費。
    電動汽車的一個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：
    1. 車載(On-board)：來自電網(wǎng)的單相和三相交流充電
    - 易于連接電網(wǎng)。
    - 無需大型充電基礎設施。
    2. 非車載(Off-board)：超快速和大直流點非車載充電
    - 短時間、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
    車載充電系統(tǒng)的一個關鍵部分是完全集成于車身網(wǎng)絡的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。由于是高電壓應用的緣故，保證安全變得非常重要并在應用時需要遵循相應的標準。所有電子系統(tǒng)都需要滿足這些汽車級質(zhì)量標準。
    另一個選擇是使用非車載DC/DC充電機向電動汽車輸入高壓直流電來取代交流電的方案。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的重量和節(jié)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載充電機的通信。這使汽車遠離交流電壓并不用去擔憂其帶來的相關安全隱患，此外還可以降低了ECU可能會承受的瞬間尖峰電壓。市場上已有此類最大功率可達 50 kW 的工業(yè)充電機，它們將來會逐步投入到交通基礎設施中去，如泊車區(qū)和公共汽車站。
    第三種方法是現(xiàn)已初露端倪的無接觸感應充電。其目的是提供一種幾乎無處不在的充電設施，以減少充電時間，以及提供幾乎即時的充電服務。
    半導體主動和被動器件行業(yè)都需要設計新元件來降低電動汽車控制器和執(zhí)行器的成本。其中機電一體化+ 高壓驅(qū)動的解決方案是優(yōu)化可靠性和提高效率的關鍵部分。多相轉(zhuǎn)換器和逆變器是被重點關注的應用領域。所有主要元器件廠商都在研發(fā)高性價比的新元件和新技術，以滿足大功率和高能量等級應用的需要。
    電動汽車中的主要元件有：
    ●用于電動機驅(qū)動和逆變器的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元件模塊的設計更關鍵。新電路拓撲致力于提高電路的開關頻率，可以減小被動元器件(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的檢測電阻。平面變壓器有對高開關頻率電路的獨特解決方案，并可在高壓DC/DC轉(zhuǎn)換器應用中提供最佳效率。
    用于電動汽車的電子驅(qū)動分為兩類：
    ●高壓應用(150VDC- 550VDC電池線路)
    ●低壓應用(12 V負載)
    應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及以下的低功率負載。需要盡可能做高這些這些轉(zhuǎn)換器的整體效率。
    電動汽車面臨的最大挑戰(zhàn)之一是確保使用高壓半導體驅(qū)動的電機驅(qū)動的效率。此外，人身安全也是一個重要擔憂。為避免高壓開關出現(xiàn)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。緊急斷開電池連接是另一個需要優(yōu)化的領域，需要對目前大而重的方案進行重新設計。
    如同常規(guī)汽車一樣，電動汽車的系統(tǒng)設計工程師也想減少元器件的數(shù)量。實現(xiàn)該目標的一個例子是在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(tǒng)應用的20-40個單電阻。它們在目前用作浮點分壓器，用來檢測電路板系統(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)壓縮機的電機驅(qū)動需要非常高效的隔離型DC/DC轉(zhuǎn)換器。在這種應用的設計中，具有極低高度的分立元件起著重要作用。
    當電壓在 30VAC和 60VDC以上時需要加強對人體的電擊防護。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。
    下列這些領域會受到標準化的影響：
    ●能量儲存系統(tǒng)
    ●汽車技術(電力電子和傳動系統(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(車載和非車載充電)
    電動汽車目前可支持短距離行駛(平均每天50公里，最多100公里)，但還不能滿足遠距離行駛(大于150公里)的需求水平。由于目前電動汽車最終用戶的價格高于常規(guī)汽車，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)可促進純電動汽車(BEV)的大規(guī)模發(fā)展。