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福斯MEB EV平台採用恩智浦電池管理方案

恩智浦半導體(NXP)在NXP Connects 2020線上峰會的開幕主題演講中,恩智浦半導體執行長Kurt Sievers宣布與Volkswagen針對電動汽車(Electric Vehicle, EV)展開合作。Volkswagen已在其創新MEB平台採用恩智浦電池管理系統(Battery Management System, BMS),幫助增加續航里程、延長電池使用壽命並提高安全性。恩智浦BMS提供出色的靈活度與可擴展性,能滿足當今電動汽車客戶的各類需求,無論是打造如突破性電動車ID.3的小型轎車(compact car)、插電式混合動力車(plug-in hybrid),以及諸如ID.4、奧迪e-Tron或保時捷Taycan的豪華電動車。 Volkswagen AG 汽車能源供應暨高壓系統開發主管Holger Manz博士表示,作為Volkswagen首波電池電動汽車計畫的一環,在2029年前,我們將推出多達75種全電動車型。良好的電池管理系統不但提供功能安全性,還能在多款車型間擴展,使其能更輕鬆地實現電池的全部潛能、最佳化續航里程並延長電池的使用壽命。 儘管電動汽車(EV)已歷經多年發展,但該領域面臨的核心挑戰仍然是延長續航里程。隨著ID車系的發布,Volkswagen將透過提供45 kWh、58 kWh或77 kWh的電動汽車產品,突破電動汽車續航里程的極限。在效能高達100 kW的直流電(DC)快速充電模式下,中等容量電池可在30分鐘內達到260英里的續航里程。而大容量電池可使車輛在滿電後行駛多達340英里。 恩智浦半導體技術長Lars Reger表示,Volkswagen為即將到來的電動汽車時代提供豐富選擇。很高興能夠提供支援跨車型擴展的精密系統級(precision system-level)解決方案,此解決方案在簡化設計的同時,還能提供最高等級的安全性。 目前,全球排名前20名的汽車製造商中,已有16家在設計中採用恩智浦電池管理解決方案。
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車載電氣系統超前部署 48V輕油電擁抱新應用

48V技術為了遵循CO2規格,可實現再生煞車及中間能源儲存等功能,之後還能針對傳統燃燒引擎提供電氣支援,不過在未來限值方面,似乎無法重現相同效益,因此許多汽車製造商都以HV-BEV為發展方向。圖1顯示在遵循未來限值的情況下,電動車市占率可能的發展情形。這說明為何各界通常將48V車輛電氣系統視為銜接技術。 圖1 ICE、48V輕油電混合車及電動車在遵循未來限值的情況下,可能的市占率發展示意圖 就技術觀點而言,本地零排放的純電動車顯然是理想解決方案,必須依此進行開發及推廣。不過是否要完全仰賴HV電動車,則成為各界爭論的話題。其中的風險在於燃料電池或CO2中和合成燃料等充滿潛力的技術,其開發工作可能會因此受到影響,導致喪失潛力十足的關鍵技術。此外如果全球改為使用純電動車,在原料生產及能源產生方面,還無法達到CO2中和的境界,特別是能源組合及HV電池的生產及回收問題,可能對碳足跡造成負面影響。其中的決定性因素,將是實作電動車技術在未來實現CO2中和目標的時間,以及48V車輛電氣系統如何為此提供支援。因此以下主要將探討48V車輛電氣系統是否只能作為銜接技術,以及是否具有進一步的發展潛力。 48V架構/應用逐步成市場矚目焦點 動力傳動系統有各種電機(EM)整合選項(P0至P5)。連接式燃燒引擎的「增壓」及「動能回收」,以及分離式燃燒引擎的「滑行」等基本功能,可在所有組態中實現,其中分離運作時必須使用自動啟動離合器。有別於受曲柄軸速度影響的P0及P1組態,P2至P5組態的共同點,就是可在內燃機引擎分離時回收煞車動能,並在48V系統的效能範圍內實現純電動駕駛。P4及P5架構也能以48V系統為基礎實現全輪駕駛功能。 不論驅動時使用的是HV-BEV、燃料電池或合成燃料,其他裝置的48V電壓位準都比12V更節能,在車輛中的安裝及運作也比HV更簡單,具有最佳化的可能性。視驅動概念而定,圖2顯示可能的48V應用,例如2~4kW的電動渦輪增壓器(eTurbo)、4~5kW的電動空調壓縮機(eA/C)、1~5kW的電動催化劑加熱(eCAT)、PTC輔助加熱器及擋風玻璃除冰等電動加熱器、1~5kW的電動驅動及滾動穩定(ERC)、最高1kW的泵及風扇,以及其他需要高電源密度及/或連續使用的應用。目前採用P2-P4組態的第二代輕油電混合車,正以48V為發展方向開發前述應用,此外也在HV-BEV作為第三電壓位準。 圖2 搭載48V輔助裝置的雙電壓車輛電氣系統示意圖 如果再稍微進一步探討都會行動商業部門的未來發展,或是所謂的「公共運輸行動服務(MaaS)」整體概念,就能為48V技術開創更多應用機會。相較於HV-BEV目前所需因應的極長範圍(>400km)及持續縮短充電時間等需求,48V技術的主要焦點為成本、電池重量、隔離保護,以及2km至20km的短距離行駛。有足夠時間在工作期間、整夜或類似期間進行充電,視車輛基礎設施及停車情形而定。對此項需求而言,計算顯示30kW驅動足以讓小型都會車完成都會及陸上的標準週期。此外,48V BEV動力傳動系統的成本,在此運作週期中約比HV400V BEV動力傳動系統便宜25%。目前市面上已經有負載最高1,000kg的商用車採用48V BEV,而採用48V BEV的摩托車及電動機車也在市場上站穩腳步,部分車款甚至採用可更換電池。以上所有實作都能採用已開發或預定開發的輕油電混合車應用,例如含電池管理系統(BMS)的電池、變頻器、DC/DC轉換器及輔助設備。 MaaS如何持續發展仍是問題所在。即使是傳統汽車製造商,目前也重新調整定位,並擬定策略轉型為MaaS供應商,定義全新的生態系統。這類車款因應完整行動力範圍的問題,除了可讓數人搭乘的小型都會車外,也有類似於EasyMile的「接駁POD」,提供12位乘客的運輸能力,並以類似於巴士的「人員移動裝置」及「貨物移動裝置」作為最後一哩服務。前述車款由於重量高於小型都會車,因此需要更高的電源密度。這可能讓48V不僅用於傳統動力傳動系統及輔助裝置,也將用於轉向、煞車及駕駛穩定性等項目,此外也可能用於輪轂馬達。類似應用也出現在卡車、農業、營造機械、堆高機、特殊車輛及航空市場。 即使前述應用只有部分獲得實作,且未來發展仍有很長一段路要走,但這有可能大幅延長48V的生命週期。 48V架構巧搭車載元件精準控制 48V車輛電氣系統的半導體,主要用於控制電動馬達、配電變頻器或向輔助裝置供電,還以DC/DC轉換器連結48V及12V電氣系統層級。其中的對應元件包括感測器、微控制器、電源供應器、通訊及驅動器IC。 圖3顯示控制啟動器-交流發電機的半導體基本配置;啟動器-交流發電機是48V車輛電氣系統的關鍵元件。為了向微控制器供電,因此將系統電壓(48V)降低至微控制器及其他IC的一般程度。這是供電IC(安全系統供電)的基本功能,也可在功能安全領域執行其他作業。微控制器可實現電動馬達的場導向控制,以及在交流發電機運作時控制勵磁機繞組。微控制器為此實作複雜的計時器單元,並透過各種通訊匯流排(例如CAN)與車輛的其他控制單元通訊。 圖3 48V微型混合系統搭配主要半導體元件的方塊圖 如果使用適當的感測器,電動馬達轉子的轉子位置及旋轉速度,以及目前通過變頻器的電流,就可接受量測並傳輸至微控制器。智慧型感測器IC已經可以在內部處理量測資料,並透過感測器匯流排以數值方式將此項資料提供給微控制器。為了精準控制馬達,也必須將個別馬達相位的電流傳輸至微控制器,因此會在變頻器使用分流電阻器,或使用磁場感測器判定電流。 低損耗MOSFET通常在48V車輛電氣系統作為功率級IC,大多是以專屬的三相驅動器控制及監控,並可於緊急狀態時切換為安全狀態。除了馬達驅動器IC以外,其他重要元件還包括高效能閘極驅動器IC,可搭配MOSFET提供高度可靠的電池開關或安全開關,因應48V/12V隔離需求。48V車輛電氣系統以DC/DC轉換器與12V車輛電氣系統電氣耦合。 48V系統需慎選應用 半導體商如英飛凌(Infineon)為48V系統提供完整的晶片組系統解決方案,其中涵蓋穩壓器、收發器、感測器、微控制器、智慧型電源驅動器,乃至於電阻較低的MOSFET。 AURIX微控制器系列可謂成功,特別是動力傳動系統領域,不過也能因應其他領域需求,例如安全或駕駛輔助系統。同時最新一代AURIX TC3xx產品(40nm搭配嵌入式快閃記憶體)也正在生產,提供高效能及高效設計的所有要素。這樣設計人員就可選擇各式各樣的可擴充記憶體容量、周邊裝置功能、頻率、溫度及封裝選項。AURIXTC3xx系列採用多核心架構,包含六個獨立運作的32位元TriCore處理器核心,運算效能遠超過前代產品。該微控制器結合即時功能、資料安全及功能安全,能夠滿足最高ASIL-D的ISO 26262系統需求。 AURIX與TLF35584安全供電裝置是良好組合。外部安全裝置不僅提供電力,也能監控供電及微控制器的功能安全(例如看門狗),有時也負責在發生安全相關故障事件時,將系統切換為安全狀態(失效安全)。如此可提高系統可用性,同時也能個別設定微控制器的錯誤回應。48V系統的其他重要通訊及電源元件為隔離CAN收發器及橋接驅動器IC。 48V應用對80V及100V MOSFET具有高度需求,用於啟動器-交流發電機(皮帶驅動或整合式)、DC/DC轉換器或電池主開關等應用。而英飛凌OptiMOS5系列提供可擴充的低導通電阻器(最低1.2mΩ)產品組合及多種封裝,例如新型TOLL(TO無鉛)、TOLG(HSOG-8)、TOLT(頂端冷卻提供高效能)、裸晶及晶片嵌入。 同時,48V系統也需要精準強大的感測器,感測BLDC馬達的轉子位置,以及用於量測電流。基本上感測器占用空間應越小越好,具備低損耗、彈性及符合成本效益等特性,並在完整的服務壽命期間提供高度精準、強大及安全的運作。例如霍爾型電流感測器XENSIV TLI4971,是英飛凌新系列「無核心」電流感測器的首款產品,可因應前述所有需求,量測電流最高可達120A,經校正後可供貨使用。 晶片嵌入技術降元件/接合複雜度 如英飛凌與Schweizer Electronic AG也合作開發功率MOSFET晶片嵌入技術(圖4)。這項技術可提升最高60%的48V系統效能,同時降低元件及接合技術的複雜度。晶片嵌入技術的MOSFET,並不像之前一樣焊接至印刷電路板,而是直接整合,也就是所謂的標準單元,其採用銅製導線架的MOSFET裸晶。其中提供的相關熱能及電氣優勢,可大幅提升電源密度,同時也更為可靠,特別是在與陶瓷模組比較的情況下。這樣開發人員就能提升48V系統效能,或使其更具成本效益。例如整合式48V啟動器-交流發電機扮演重要角色,讓輕油電混合車排放的CO2比傳統傳動動力系統減少15%。 圖4 使用晶片嵌入可進一步提升35%的電源密度 依據本文所述背景及應用範例,針對車用48V車輛電氣系統電壓技術進一步投資及系統最佳化,無疑為合理作法。 (本文作者皆任職於英飛凌,Dusan Graovac為汽車系統工程部門總監暨全球負責人;Christoph Schulz-Linkholt為配電部門首席系統架構師;Thomas Blasius任職於汽車車體系統行銷部門)
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看好電動車應用趨勢 充電基礎建設發展快跟上

世界各地目前競相將燃油車汰換為電動車,可預期電動車的採用率將大幅躍升。但電動車若要快速提升採用率,充電站的數量也必須大幅成長,超越目前的部署規模。本文將調查電動車採用率的大幅提升,對配電基礎建設造成的需求,以及規畫電動車充電基礎架構時必須納入的一些考量因素。 電動車成長預測 有關電動車的討論通常一開始會先從驚人的成長率統計數據談起,講到電動車的預測銷售量總是很誘人。以Energy Innovation組織提出的一項數據為例,在其預測中,到2030年全球電動車的數量將達2億5,000萬輛左右(圖1),屆時每年銷售量約為4,400萬輛,所有電動車(兩輪車除外)將占全球新增汽車銷售量的30%,這被稱為EV30@30情境。此數據包含油電混合版及純電動版的汽車、巴士和卡車。如此看來,大勢已定,但人們終究還是要面對現實:此成長軌跡的誤差線為何?又有哪些假設和已知的風險?深入來看,這些來自不同出處的成長率資料有部分存在著很大的差異。其所引用的銷售數據各自加入了一些假設,也就是電動車購買力、未來技術的提升、油價、法規獎勵,還有數十項其他因素的變動。此外也大幅取決於中國的採用成長率,畢竟中國在2018年的全球新車銷售量占比高達45%,相較之下歐洲為24%,美國則為22%。而一項出自美國能源資訊局(EIA)《2020年年度能源展望》的數據指出,美國2030年的電動車總銷售量將遠低於100萬輛,如果地理百分比分配率維持不變,這數量只有EIA預測數量的十分之一不到。另外,該展望也預測,燃油車到2050年之後仍將占銷售量大宗,端看讀者要相信哪一個。 圖1 根據Energy Innovation的預測,至2030年全球電動客車銷售量將突破2億5,000萬輛 資料來源:Energy Innovation 電動車採用率影響因素 電動車目前仍相對昂貴,樂觀派的預測假設價格將會隨銷售量和技術的提升而調降,但銷售量要提升,前提是價格要先下跌。這是先有雞,還是先有蛋的問題。有些製造商承認,為了帶動市場,他們幾乎每輛車都是認賠賣出,這絕非好的商業模式,對投資人的耐心也是種考驗。來自政府的壓力是另一項激勵因素,為了減緩氣候變遷,控制污染程度,全世界的掌權者都宣布要在特定日期前實現禁售內燃機引擎(ICE)車輛的決心。這一目標看似聳動,但這大多是指禁售純ICE的車輛,油電混合車則不在禁售名單內。車商也玩同樣的文字遊戲,他們不顧一切地設法不讓其ICE製造設備遭到完全扼殺,因此答應未來在銷售車款中加入100%的電動車系列,但他們其實是指100%純電動車或油電混合車。 另一個會影響電動車價格的因素,則是油價。油價對未來電動車的增幅有很大的影響,截至2020年上半年,原油價格仍持續波動。 儘管世界衛生組織指出全球因空汙而早死的人數多達420萬人,但要是電動車的購買成本和維運成本無法提供足以替代ICE的激勵因素,關於減緩氣候變遷和改善環境的爭論也可能逐漸消退。 里程焦慮 影響電動車成長的一大阻礙,就是關於充電的疑慮。最早的電動車可行駛里程大約只有160公里左右,變成只需行駛短程的特定駕駛人的利基產品,他們開回充電站通常是為了「循環充電」。受技術進步之賜,目前高階車款行駛里程可達約480公里,但焦慮仍存在,因為車主都認為充電點過於稀少。一般電動車沒電「拋錨」,就算有熱心路過車主出借備用電池,也無法讓車子起死回生,這是大家都知道的。 相比於加油站,充電「站」可能數量更少,且間距更遠,但這不過是供需的問題;美國約有2億7,000萬輛汽車和15萬間加油站,以每間加油站有八支加油槍來算,每支加油槍約分配225輛車。相比之下,全球約有500萬輛電動車和約41萬個公共充電點,每個充電站約分配到12輛電動車,兩者的可得性相差18倍。如果將辦公室和家庭充電點算進來,大概每輛電動車可分配到將近一個充電點。 然而不能直接這樣比較。油箱加滿約需要10分鐘,加上稍作休息,再去超商喝個飲料,可能要15分鐘。但是,電動車電池用高速公路休息站的「慢速」充電器可能要好幾個小時才能充飽,假如所有充電點都有人使用,下一個充電站又遠在天邊,這個可得性數據可一點用都沒有。 每個人都想相信未來是電動車的天下,人們可以預期基礎建設也會隨之成長,符合其中一個預期的成長情境,並希望是往好的方向發展。有些地方可能供不應求,有些則供過於求,加上對需求的不確定性,還有各地區的差異性都需要加以考量。可以確定的是,像新車銷售量約60%為電動車的挪威,他們在未來幾年建置的充電點數量,勢必會高過2019年新電動車掛牌數百分比只有1.6%的英國。 供電隱憂 里程是焦慮的來源之一,但人們是不是也該擔憂未來的電力供給?目前電動車充電對電網造成的負載幾乎可省略不計,根據Bloomberg ENF指出,電動車用電量從2018年到2050年將成長57%,但仍只占全球用電需求的9%。到2050年時,美國的電動車用電量將達800至900兆瓦時,而總用電量約為30,000兆瓦時(圖2)。 圖2 Bloomberg ENF估計至2050年時,電動車總用電量將大幅成長 資料來源:Energy Innovation 本文假設技術仍會不斷進展,例如,電動車目前將電池電力轉換為車輪動力的效率只有59%至62%,仍有預期改善的空間(與ICE相比,汽油中的化學能轉換為動力的轉換效率只有17%至21%)。至今針對電動車銷售量和用電量引用的數據皆單純指輕型車(LDV),如果日後電動卡車問世,這些數據將過於保守。建造所需的充電站和升級電廠基礎建設的時間表,實非政府掌權者在任期內和立即的政治手段所能解決,但電力設備供應商則相信電動車已是勢在必行,並為充足的基本能源供應作好規畫。基礎建設將隨成長中的共同市場而擴展,占比9%的電動車充電量似乎不會成為普遍性的問題。但就配電來說,離車子的充電電纜越近,情況則會有所不同(圖3)。 圖3 高壓電塔的設置對於電動車來說至關重要 配電硬體須符合未來電動車充電需求 從記錄來看,電力需求在夜間較低,負載尖峰約在早上7點人們展開一天的活動時。另一次尖峰則是在傍晚,當人們回到家,暖氣/烹煮器具全開時。在用電組合中加入電動車充電,用電模式將大幅改變,為了讓汽車在隔天早上上班前充飽電,負載尖峰會變成夜間。標準的家用充電器功率約為3kW或7kW,電動車充飽約需6至12小時,插電式混合動力車(PHEV)約需2至4小時,跟徹夜開啟一或兩部高功率暖氣差不多。但是高速充電器的額定功率可能高達22kW,幾乎要達到饋入家庭供電功率的上限,對沒有電動車的尖峰用電量來說普遍過高,當然就24小時的平均用電量來說也高出許多。當擁有電動車的家庭越來越多,對當地的配電網路將造成立即額外的壓力,電線桿上的變壓器將中電壓降壓到家用電壓時,也會不斷發出高分貝的滋滋聲作為抗議。而高電壓配電網路和變電站的處理能力則較佳,因為其是針對工業供電,尖峰發生在不同時段。當地的供電基礎建設可能首當其衝,像是存在重大地區差異的都會公寓可能都有停車空間,但是,電動車的電力無法直接由終端消費者的線路供電。其會在更高的電廠電壓下進行計量和聚合,對家庭用電和工業用電之間的負載,在硬體額定值內進行平衡。路旁和公用的快速充電點也是如此,其負載將直接加諸在高電壓網路上。 使用再生能源達到雙贏 對電動車存在已久的一項爭議,就是它並不是這麼環保,畢竟其充電的電力最終還是來自骯髒的煤炭或燃氣發電機。此問題會隨再生能源使用率提高而改變,但缺點是,太陽能板在晚上不能靠太陽發電,而風機發電又是一種不可預測的能源(圖4)。最理想的作法,就是利用一些能源儲存方法來平衡供電量,像是用湖泊進行水力發電儲能,但此法受限於地理因素。雖然也有一些前景看好的創意,例如將壓縮氣體儲存在岩床內,另外還有一種可能的作法,就是利用電動車內的合併電池組合,將能源輸回電網作為緩衝,然後提供電費上的回饋作為獎勵。 圖4 太陽能供電現階段仍有局限性 要將能源輸回電網,需要具有雙向功能的充電器,技術也早就有了。如果車子閒置不用,電力公司為了調度可從電池抽取電力,之後為電池再次充電,只要車主先在智慧充電器內設定將車充飽電可開出門的時間,對車主幾乎沒有任何影響(圖5)。 圖5 現階段電動車充電技術已為駕駛帶來便利性 隨著電動車採用率不斷提升,市場也期待基礎架構也能跟上其預測成長率的腳步。但是,電動車充電基礎架構的規畫極其複雜,因為有太多消費者和地方上的變數需要考量。可能影響電動車採用率的部分因素包括電動車購買價格、政府的電動車使用獎勵法規、電力供給、再生能源的角色,以及對快速充電站之便利性和可得性的疑慮。有鑑於上述這些因素都可能造成重大影響,對電動車採用率帶來不確定性,因此眾所期待的充電基礎架構究竟能否支撐這些需求,有待日後觀察。 (本文作者任職於貿澤電子)
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包爾英特推出EV車輛返馳式切換開關IC

包爾英特(Power Integrations)日前宣布推出符合AEC-Q100要求的InnoSwitch3-AQ返馳式切換開關,該產品整合750V MOSFET和二次側感測。符合要求的全新裝置系列瞄準汽車EV應用,例如牽引變頻器、車載充電器(OBC)、能源管理DC/DC匯流排轉換器(EMS)和電池管理系統(BMS)等。 InnoSwitch3-AQ使用包爾英特的高速FluxLink耦合,適用於整合的線電壓與負載調節,能夠實現±3%的精確度,同時免除專用的隔離式變壓器感測繞組和光耦合器。FluxLink技術即使在暫態應力測試下也能保持輸出電壓調節,這對於採用PSR的實作而言尤其具有挑戰性。 整合的750V MOSFET滿足嚴格的汽車減額要求,並且晶片上同步整流器控制器在標準400VDC輸入電壓下可提供高於90%的效率。且新品經過最佳化設計在整個輸入電壓範圍內實現了低於10mW的無負載能源消耗。其系列IC採用表面黏著式InSOP封裝,且一次側到二次側安規距離為11mm,超過了高海拔(>5000m)隔離的嚴格要求。
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瑞薩推出EV車輛HVAC系統用LIN介面SSC

瑞薩(Renesas)日前推出ZSSC4132,一款具有內建已認證LIN v2.2a介面的車輛壓力感測器解決方案。這款單一封裝感測器訊號調節器(SSC)具有緊湊的外形尺寸,可為插電式混合動力車(PHEV)、純電動車(BEV),以及燃料電池車(FCEV),其空調控制系統中的暖通空調(HVAC)應用。 該方案可以配置到絕大部份的電阻電橋式感測器。這樣的設計彈性,結合優秀的性能水準,和內建的LIN PHY、小封裝尺寸,以及AEC-Q100 0級認證,讓這顆SSC非常適合用於空間受限、預算有限,有下線標定(EOL)校驗要求的小型車輛感測器模組。 瑞薩車用感測器事業部副總裁Christian Wolf表示,HVAC在EV電池的續航力中,扮演重要角色,OEM廠商正在尋找方法來提高系統效率,同時還得保持高性能,並維持嚴格的成本限制。有了ZSSC4132,客戶可以使用已通過LIN認證的完整SSC解決方案,進而使他們能夠輕鬆、划算地縮放其HVAC系統開發,以開發中階到高階的EV和HEV。 ZSSC4132結合類比前端(AFE)技術,可加強感測器訊號調節和數位校準功能,進而顯著降低雜訊靈敏度,並為壓力和溫度讀數提供高精確度。SSC的整合度可大幅削減外部組件,因而削減了整體物料清單(BOM)。此外,ZSSC4132獨特的數位校準功能,也讓客戶大量減少校準工作,進一步降低整體系統成本。
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400kW DC充電器 英飛凌CoolSiC助實現超快速EV充電站

西班牙電源轉換集團Ingeteam與英飛凌(Infineon)攜手合作,打造超快速(Superfast)電動車(EV)充電服務,讓客戶享有最佳體驗。Ingeteam所提供的INGEREV RAPID ST400轉換器的額定功率為400kW,內建採用EasyDUAL 2B封裝的CoolSiC MOSFET。每個充電點都布建了八個英飛凌FF6MR12W1M1_B11模組。依據個別車輛充電能力的不同,一輛電動車最快只需停靠10分鐘,就能完成80%的電池充電,相當於傳統內燃機車輛的加油速度。 INGEREV RAPID ST400轉換器的設計已在現實生活中成功運作獲得實證。在去年,已由西班牙的充電技術服務商IBIL公司為多元能源供應及加油站營運商Repsol公司成功開發、實作及試行整合此項技術的第一個專案。這項專案布建於比斯開灣(Bay of Biscay)地區的烏加德比塔(Ugaldebieta),作為電動車領域的燈塔計畫,並在2019年10月開始試行。專案設施位於交通非常繁忙的A-8高速公路,設置四個超快速充電點,可確保在同時接入四台車的情況下,以最佳方式自動分配可用電源。此外,自開始至今都運作順利,沒有發生任何重大缺失。 英飛凌工業電源控制事業部總裁Peter Wawer博士表示,SiC實現了超快速的切換速度以及更低的切換損耗,從而縮短了充電時間。加上所需的冷卻元件大幅減少,也讓充電站的體積縮小了近1/3。SiC的物理特性可為電動車做出重大貢獻。多項不同的消費者研究顯示,電動車的市場接受度,有極大部分取決於高效快速的充電基礎設施。我們已經證明足以提供這項基礎技術。
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Vicor航太電源模組解決方案簡化航太設計進程

全球各界對二氧化碳 (CO2) 排放不斷上升的擔憂日益加劇,這刺激了全球對純電動汽車 (EV) 及混合動力電動汽車 (HEV) 的需求。此外,航空業也在經歷類似的發展,相關機構正在分析電動航空產品的成本及效能優勢。如果能夠讓航空旅行基礎設施的成本降低,就可以將航空旅行擴展到服務不完善的偏遠地區。 Ampaire(位於加州霍桑)始終致力於透過開發對環境無污染的、更低成本的安全、安靜的電動飛機來實現這一願景。相對於傳統內燃機飛機而言,Ampaire 專注於實現燃料成本降低 90%、維護成本降低 50%、起飛及降落雜訊降低 66%、尾氣排放為零的全電動飛機。 僅在美國,採用電動推進技術就可將航空公司的目的地數目增加 10 倍,將機場從 500 個增加到 5000 個。因此,生活在偏遠地區的人們將更輕鬆地享受區域性航空運輸服務,同時由於營運成本高而難以盈利的區域性航空公司將處於蓬勃發展的有利位置。 Ampaire 目前正處於原型設計階段,他們開發了一種雙動能架構,在初始試飛場景中實現冗餘,從而可根據有效載荷、巡航速度和飛行路線評估並開發在燃料與電動能源之間劃分功率與推進負載的技術。 目前 Ampaire 的原型設計—改裝過的西斯納 337 Skymaster,採用內聯並行的混合動力架構:一款標準內燃機引擎螺旋槳位於飛機的尾部、電動螺旋槳位於飛機的前部。在飛行過程中,動力可以在兩個推進系統之間動態共用,以最佳化速度、動力、燃料消耗或雜訊。 Ampaire 原型機的供電系統由一個電壓範圍為 500V...
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寬能隙半導體普及在望 電源轉換損耗再創新低

據國際能源署(IEA)估計,2020年全球電能需求的峰值將達到30拍瓦(Petawatts),未來還會持續增加。電能來源可能是化石燃料或可再生能源,但無論如何,功率轉換裝置效率對於最大程度降低成本和電能損耗至關重要。 工業馬達消耗了50%以上全球能源,但是資料中心也非常耗電,而電動車(EV)充電亦對電網造成更大的負荷。電氣化的發展趨勢,已促使「更智慧」且耗電更少的創新技術蓬勃發展,但是電源轉換相關元件也須跟上步伐,其損耗必須再創新低。寬能隙半導體(WBG)將是實現此一目標的關鍵。 功率轉換器設計者的目標,是以最高效率將來自配電系統的電力轉換為不同的直流(DC)或交流(AC)電平。出於安全或功能層面考量,可能需要電氣隔離,並且輸出電壓可能要求更高或更低。目前業界最通用的功率轉換器,大多是採用開關模式來進行電源轉換。 最原始的雙極開關技術,目前已經被矽MOSFET所取代,IGBT則仍是高電壓/高功率應用的首選。但寬能隙半導體,如碳化矽(SiC)和氮化鎵(GaN),已成為轉換器拓撲架構中強有力競爭者。設計者通常會使用「諧振」型拓撲以獲得最佳效率,三相電橋則廣泛用於馬達控制。 無論採用何種拓撲架構,導通電阻和可能具有高瞬時值的開關轉換,都會造成損耗累積(圖1)。 圖1 在開關轉換期間,MOSFET峰值功耗可能在kW範圍內 半導體中開關損耗與每秒轉換次數成比例,因此低頻率下損耗更小。但是,開關頻率越高,電源設計者便可以使用體積更小、重量更輕且成本更低的電感器和電容器等被動元件,因此在實際中,開關頻率選擇是一個折衷方案,其開關頻率的範圍可以從馬達驅動器的數kHz,到資料中心的DC-DC轉換器的數MHz。 開關轉換期間的大量損耗,是由對元件電容(COSS)進行充電和放電所需能量(EOSS)引起。因此,EOSS、COSS以及導通電阻(RDS(ON)),都是開關元件性的關鍵參數。導通電阻與管芯面積乘積,即RDS(ON).A是總損耗的品質因數(FOM),電容及其相關開關損耗隨管芯面積減小而降低。 寬能隙材料特性擁有先天優勢 SiC和GaN等寬能隙半導體,需要相對較高能量才能將電子從其「價帶」移動到「導帶」。高能隙值會導致更高臨界鑿穿電壓和更低漏電流,尤其是在高溫下。WBG元件還具備更好電子飽和速度,從而導致更快轉換,而SiC擁有特別好導熱性。在圖2中將寬能隙特性與矽進行了比較,在所有狀況下,值都是越高越好。 圖2 寬能隙材料與矽材料的特性比較 對於給定厚度,寬能隙材料臨界擊穿電壓值比Si高10倍左右,因此SiC漂移層可以薄10倍,摻雜濃度可以是10倍。寬能隙材料與Si相較,能夠提供比Si低很多的導通電阻,並且相應降低同樣管芯面積的損耗。由於SiC具有高導熱性,所以管芯可以非常小,因而具備出眾RDS(ON).A(FOM)。圖3是在650V下SiC MOSFET、GaN HEMT單元、Si MOSFET和IGBT的RDS(ON).A比較。 圖3 在相同電壓下,WBG和矽材料之間的RDS(ON).A比較 SiC和GaN大大降低了對閘極驅動功率要求。Si MOSFET和IGBT特別需要大量閘極電荷才能有效開關。對於較大IGBT,這可能需要數瓦驅動功率,從而導致系統損耗。對於WBG元件,即便在高頻下,損耗僅是毫瓦級。 WBG元件還有其它優勢:相較矽元件,可以在更高溫度下運作,最高可超過500℃。儘管封裝限制了實際操作值,但高峰值容量顯示了可用餘量。相較矽元件,WBG閘極洩漏和導通電阻隨溫度變化也要小很多。 成本降低提高WBG元件吸引力 WBG元件成本一直高於矽,但卻在逐步降低,而連鎖式系統優勢在很大程度上抵消了這一點。例如,隨著效率提高,其他部件(例如散熱器)以及濾波器中的電感器和電容器尺寸、重量和成本也相應減小。更快的開關速度,使電源系統對負載變化的回應變得更快,馬達控制也更平滑,也讓基於WBG元件的電源系統變得更有吸引力。 總體而言,使用WBG元件帶來的優勢意味著可以將它們用於電源轉換的任何新應用,設備製造商也在不斷完善技術,從而使元件易於使用且堅固耐用,尤其是在短路和過電壓等故障條件下。英飛凌(Infineon)選擇了一種溝槽架構(圖4左),可在低閘極電場強度下實現低溝道電阻,從而提高了閘極氧化物介面之可靠性。該公司的增強型GaN高電子移動率電晶體(HEMT)元件則採用平面架構(圖4右),並且與SiC FET不同,它們沒有本體二極體(Body Diodes),使其特別適合於「硬開關」應用。GaN元件額定電壓為600V,而SiC額定電壓則為1,200V或更高,但在特定電壓額定值下,GaN RDS(ON)理論極限約比SiC好10倍。 圖4 英飛凌的SiC(左)與GaN(右) FET結構對照 意法半導體(ST)則宣稱其1,200V SiC MOSFET具有業界最高額定溫度200℃,並且在溫度範圍內具有同類領先極低導通電阻。非常快速且堅固的本體二極體避免了外部二極體需求,從而節省了馬達驅動器等應用中換向電路空間和成本。 羅姆(ROHM)在SiC MOSFET市場中也有產品供貨,其最新元件具備高成本效益和突破性能。ROHM據稱開發了業界首款具有共封裝(Co-packaged)的反平行SiC肖特基屏障(Schottky Barrier)二極體SiC MOSFET,可滿足要求苛刻的換向開關應用要求。 WBG市場上的另一家供應商GaN Systems,則專注於其獲得專利的封裝技術,從而可最大限度地利用GaN速度和低導通電阻。其「島嶼技術(Island Technology)」將HEMT單元矩陣與橫向佈置金屬條垂直連接,以降低電感、電阻、尺寸和成本。此外,該公司GaNPX封裝技術沒有引線鍵合,可提供最佳熱性能,高電流密度和低外形。 GaN市場的一家先驅公司Panasonic推出了擁有專利技術的X-GaN元件,以實現「常關」運作而不會出現GaN中的「電流崩塌(Current Collapse)」現象,這種效應源於汲極和源極之間捕獲電子在施加高壓期間可以暫態增大導通電阻,可能導致設備故障(圖5)。Panasonic閘極注入電晶體(GIT)技術能夠產生真正的「常關」 GaN元件,可用與Si MOSFET電平相容的閘極電壓來驅動。 圖5 Panasonic GaN單元不會有「電流崩塌」現象出現 WBG元件普及可期 WBG在功能層面勝過矽,當下的應用障礙只是成本、易用性和所展示的可靠性。WBG元件製造商已經在解決這些問題,並且大規模生產已成為現實,預期在所有市場領域中都有積極應用。 (本文作者任職於貿澤電子)
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貿澤技術創新系列研討會即將上線

貿澤電子(Mouser)日前宣布將於6月10至11日舉辦「汽車電源創新技術與應用攻略」系列線上研討會。貿澤電子攜手亞德諾半導體(ADI)、Maxim、Microchip、東芝(Toshiba)、Vicor原廠專家及台南大學院長白富升,連續兩天下午的2點到4點準時與讀者線上相約,從不同角度探討汽車電源技術與應用設計的新未來。 汽車電氣化與電動化革命的快速進展,引發了新的電源供應與管理設計的轉變,目前趨勢朝向以更少的成本和更小的體積,為汽車提供更多的電力,這樣不僅能減少二氧化碳的排放,還將帶來更為顯著的效益。 電源系統設計的可靠性和穩定性對電動汽車的控制系統來說是最重要的。在即將舉辦的汽車電源系列線上研討會中,產業專家們將一起探索如何實現更輕、更快、更遠的EV/HEV模組化電源設計方案、電動車功率元件碳化矽SiC應用前瞻、車規半導體應用技術探討、如何設計出高效/精巧汽車雙電池系統、炙手可熱的雙向直流電源方案、ADAS系統電源設計的挑戰、電動車驅動與能量管理技術分析等精彩內容,希望能為工程師在日後的電動車電源研發與設計,帶來更多的啟發。 貿澤電子亞太區行銷暨企業發展副總裁田吉平表示汽車行業正從傳統往智慧化的方向前進,新能源汽車相關的技術也在不斷提升,純電動汽車的動力系統,在環保高效上有著獨特的優勢。對汽車廠商而言,為電動汽車打造出更加可靠的穩定電源,不僅能讓使用者享受到前沿技術所帶來的便捷性,也更有利於其在激烈的市場中保持競爭力。對工程師來說,抓住每一次重要的學習機會,無論對自身的知識積累還是實踐能力的提高,也十分關鍵。貿澤電子透過這兩天的線上直播,希望能讓廣大的工程師們更深入瞭解汽車電源創新應用及其解決方案,一起駛向安全、潔凈、高效新未來,共同打造更智慧化的汽車市場。
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電感器材料/設計/氣隙計算慎行 車載充電器耗損降效率增

OBC負責電池組充電的最後階段,它會從充電站汲取AC電源,將其轉換為DC,以用來為350V或650V電池充電。不過,有多種因素可能影響電動車電池的充電效率,而電動車電池在單位時間內從電網取得的電力越多,表示其效率越高。 若要提升OBC的效率,可以從減少充電或放電期間的功率耗損著手。OBC設計的其中一項關鍵要素,就是減少功率因數校正(PFC)等級的AC耗損。由於OBC的系統功率等級會連接至電網,導致全世界多數國家現在都要求在OBC中加入PFC等級。本文將著重於介紹一種方法,藉此分享如何減少因PFC專用升壓電感器的通量散射所導致的AC銅耗。 確保系統設計最佳化 OBC的PFC等級使用傳統的升壓拓撲,內含輸入二極體電橋、濾波器和升壓電感器(Lboost),如圖1中的方塊圖所示。其關鍵要求之一,就是升壓電感器必須在尖峰電流時保持電感,不可飽和。如此有助於確保形成負載電流波形,且能隨輸入電壓維持相位。電感器必須保持較低的核心耗損和銅耗,以維持其效率,且不得產生過多的熱能。 圖1 系統的AC網路輸入要求,16A電源輸入PFC系統需能升至11.5kW 針對接近單位功率因數(電阻負載)的PFC,輸入電流需與輸入電壓同相,且需為低失真。圖1中的S1開關連接至控制器,用於監控輸入電壓。此開關以200kHz執行「開啟」和「關閉」(或以工作週期調頻),瞬態輸入電壓在100Hz範圍內的變動相對較慢。 Lboost中的平均電流會在週期內追蹤相對形狀和相位的輸入電壓訊號,而電流波形失真則會因電容和電感負載而減少。從AC電源側來看,負載看起來為電阻型。Lboost中平均電流的振幅也會隨時間調整,以補償線路和負載的變動。 電感器材料攸關銅耗 這類的電感器通常使用鐵粉作為磁性材料,因製造過程中使用非磁性黏著劑,使鐵粉具有磁性材料固有的分散式氣隙,其導磁性(μ)通常介於20至200。由於電感器有嚴格的體積限制和電感要求(滿負載時大於150μH),使用鐵粉核心的功率耗損將非常大,而且會使應用中的電感器過熱。 因此,需要採取另一種解方。為了最佳化PFC的升壓電感器,如美商柏恩(Bourns)便使用傳統的分裂核心,它是由低耗損的錳鋅(MnZn)鐵氧體材料構成。可以從中發現,MnZn鐵氧體材料相比鐵粉的耗損大幅降低,導磁性也高出許多;另外,為防止鐵氧體核心飽和,應在磁路徑中加入氣隙。 但加入氣隙也會降低材料的導磁性。經測試與模擬後發現,使用分散式多重氣隙,能將通量散射降到最低,與單一氣隙的電感器相比之下,銅耗將大幅降低。 氣隙計算確保高效率 電感器設計中的氣隙部分,是使產品達到較高效率並降低AC耗損的關鍵。其設計的原理,是假設磁性電路中的所有磁阻都產生在氣隙中。 設計的第一個階段,應先確認升壓電感器該擁有的圈數,以確保其核心不會在尖峰電流的特定電感下達到飽和。首先為計算圈數,接著再計算磁動勢(MMF)。從過程中可判定,此應用的作業通量密度必須限制在0.3T;另外,還必須找出於尖峰電流下將通量限制在0.3T所需要的磁阻量(R)。而若將核心限制在0.3T,可確保磁性核心不會飽和。在找到將通量密度限制在0.3T所需要的磁阻後,接著便能計算氣隙尺寸。可從中進一步發現,這類單一氣隙的電感器可透過縮小氣隙尺寸,以及增加電感器中央腳的氣隙數量,藉此大幅降低銅耗。若採用單一氣隙時,AC電阻為5.5Ω;而當三氣隙散布在核心中央腳時,AC電阻最終可降至0.616Ω。 在找出鐵氧體材料總氣隙最適合的尺寸後,接著再根據核心中氣隙的散射通量(輻射磁場)可能使銅出現渦流等類現象,減少電感器中的耗損,進而找出最佳的設計。不過,這會使銅線圈內發生區域性的焦耳損失。至於升壓電感器中的平均電流,會在週期內追蹤相對形狀和相位的輸入電壓訊號(圖2)。 圖2 模擬圖顯示一個週期的電感和輸入電流 高密度設計大幅減少耗損 若使用帶氣隙的鐵氧體結構,可實現較高效率的高密度設計,進而使每個通道在每次的週期內,可達到最高3.6kW的處理量,於最高負載時可儲存125mJ。透過PFC模擬,證明了確實找到能儲存能量並避免飽和的最佳氣隙。此外,同時亦可確認,銅功率耗損的主要來源為AC電阻,所以結論是,針對設計的最高AC電阻規格目標應為750mΩ(在125kHz和100℃的條件下),同時使用FEA軟體來進行升壓電感器設計的驗證、分析和最佳化。 如Bourns的升壓電感器可減少多達90%的AC耗損,但仍須視應用而定。降低耗損的關鍵,在於縮小氣隙尺寸及增加電感器中央腳的氣隙數量。本文的測試結果顯示,單一氣隙電感器的AC電阻為5.5Ω,而測試應用中的三氣隙設計則使AC電阻降到僅0.616Ω。至於AC電阻耗損的降低,是由於AC銅耗從每通道的20W大幅降到只剩1.8W。此外,由於該升壓電感器產生的熱能較少,因此散熱需求較低,同時還具減少EMI的額外優點。若結合以上優點,便有助於實現較佳的PFC等級設計,使OBC整體效率提升,進而為電動車市場的成長提供助力。 (本文出自於貿澤電子與Bourns共同出版之《車輛電動化(Electrification of the Vehicle)》電子書)
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