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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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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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六大感測器成就動力系統 汽車電氣化步步到位

動力系統感測架構剖析 如圖1所示,動力系統中高度準確的電子感測器會負責監控相關條件以提升效率,系統中包含數個模組,各模組彼此獨立運作,並分別具備不同感測器和反饋控制機制。車輛效率主要視動力系統感測器和傳動器的精確度、精確度和反應時間而定。這些感測器可幫助傳輸感測資訊所需的封閉迴路運作,以進行引擎管理和變速箱控制(如表1所述)。 圖1 HEV中的動力系統 表1 動力系統剖析:與建構單元的關係及如何實現頂尖設計目標 促進動力系統發展的主要因素為經濟效益與廢氣排放,兩者都會影響性能與行駛能力。在引擎和變速箱系統中,感測器與反饋控制機制透過監控激發來提高效率,並利用燃燒程序效率提升以減少廢氣排放;且感測器和反饋控制機制透過準確監控激發來提高效率,進而促進引擎和變速箱系統效率。為了增加電動車和油電混合動力車中的電氣化程度,工程師必須針對動力系統架構和控制裝置重新構思。 此外,動力系統感測器在ICE車輛中扮演的角色也同等重要。如圖2所示,車輛電氣化最初從智慧型感測器開始。而減少ICE車輛廢氣排放的主要方式,是運用動力系統感測器與其性能。 圖2 傳統內燃機引擎 動力系統感測器可依提供的測量功能進行分類,如圖3所示。動力系統感測器通常可提供以下特性: .低功耗(~10mA)。 .高準確性,亦代表提供精確的控制機制。 .對激發改變具高靈敏度。 .在汽車環境中強固耐用。 .電磁干擾(EMI)電磁干擾相容性。 圖3 依測量基礎分類動力系統感測器 舉例而言,德州儀器(TI)汽車高溫感測器(HTS)參考設計可提供高密度、低成本、高準確的熱電偶類比前端。 三種溫度感測器成就動力系統 動力系統共有三種主要溫度感測器類型。 熱電偶溫度 隨著新型柴油引擎問世,對高溫感測器的需求也越來越高,因為排氣系統就在引擎正下方。這種配置需要具備高精確度、高解析度和高整合度的溫度偵測功能,而可承受和偵測高溫的排氣系統溫度感測器通常運用熱電偶,並以多個熱電偶溫度感測器和一個獨立模組來進行控制。 熱敏電阻 市面上新熱敏電阻提供高溫度範圍,以滿足高溫感測器的需求。以矽基線性熱敏電阻取代標準負溫度係數和正溫度係數類型,也是目前的趨勢。透過新式智慧型熱敏電阻,汽車動力系統的特定需求便得以滿足,可在廣泛的動態範圍中實現高線性。 矽晶 由於具備以下優點,矽晶溫度感測器在HEV/EV和ICE車輛中扮演著關鍵角色: .於廣泛的溫度範圍中提供高線性。 .可在支援溫度範圍內維持精確度。 .提供溫度感測器高解析度和第0級認證。 .提供數位輸出介面,促進資料數位傳輸。 .提供觸發警示功能,大幅提升控制作業效率。 .成本低廉且執行簡單。 壓力感測器多線束防短路 整合式動力系統壓力感測器運用電容與電阻原理,搭配放大器、類比至數位轉換器、微控制器和數位至類比轉換器/數位介面,在一個晶片上進行訊號調整。一般來說,壓力感測元件在溫度方面多呈非線性,因此傳統壓力感測器訊號調整電路中包含溫度與線性補償機制;由於壓力感測器模組線路需要多個線束,因此最好能防止線束發生過電流、過電壓或短路等故障。 舉例而言,汽車電阻橋壓力感測器參考設計和汽車電容式壓力感測器參考設計可助使用者避免線束故障。 動力系統壓力感測器的基本考量包含: .訊號調整元件需具備較高的絕對最大額定值。 .容許線束故障。 .高靈敏、壓電電阻壓力感測器需求增加。 在汽車應用中,動力系統壓力感測器的訊號調整必須讓感測器能在極惡劣環境中運作,並且能承受各種震動、溫度波動、各種電磁條件和撞擊。 液位與濃度感測器以超音波維持系統運作 動力系統液位與濃度感測器通常以超音波電容運作基礎。液位必須在車內數個位置進行測量,如水箱、油箱、液壓油箱、機油箱與尿素箱等,皆位於車輛動力傳輸系統內。 為了讓控制迴路運作更有效率,必須監控這些液體的液位與濃度。以超音波法進行液體感測有以下優點: .縮短量測時間。 .可在廣泛偵測範圍內驅動各種轉換器。 .適合各種中型儲槽和中等距離。 .可與高電壓電路介接,進而驅動轉換器以進入更深的儲槽中。 .能夠整合各種保護級。 .可使用控制器區域網路(CAN)介面。 在排氣系統中,AdBlue噴射會在柴油微粒過濾器(DFP)之後執行,以減少廢氣中的氨氣濃度;液體濃度與液位感測器在液體濃度與adblue液位量測中扮演重要角色。 磁性/電感奠定位置感測器運作基礎 位置感測器是另一種運用在ICE、HEV和EV動力系統中的感測器,可在電動轉向、牽引反相器、自動變速和防鎖死煞車系統等重要操作下,測量轉速、角度、速度和開啟/關閉位置。 供應商如TI的液位、濃度與流動感測超音波感測類比前端,以及汽車超音波訊號處理器和轉換器驅動器,皆支援這些超音波參數。 位置感測器主要以磁性(霍爾式和磁電阻)與電感為運作基礎,依應用而有所不同(表2)。動力系統位置感測器的考量與需求包含: .在重要位置提供耐用性。 .具備偵測較小變化的靈敏度。 .提供高頻寬以進行速度感測。 .整合式數位輸出。 .輸入處低雜訊。 .陣列感測器或其他靈敏度軸。 .可耐受溫度與震動。 .非線性磁鐵。 .能夠實現高頻寬位置感測。 表2 位置感測器類型(依使用原理分類) 電感式位置感測器可透過減少維修來提升耐用性與精確度。 RF排氣感測器提升精確度 所有ICE車(包括油電混合車)皆採用排氣感測器。為了因應廢氣排放新規定,越來越多國家/地區皆針對廢氣排放訂立規範,對排氣感測器的相關要求亦隨之增加。 如圖4所示,車輛排氣系統中有各種類型的感測器。過去的感測器採用化學方式,利用兩個電極和電極電位基礎來進行感測,這種化學式感測器需要較多維護成本和反應時間。 圖4 汽車排氣系統內的感測器類型 而新型射頻(RF)排氣感測器可縮短反應時間、降低維護成本並提升精確度;這類感測器的運作基礎是各種氣體都有其發生共振的吸收頻率,並由一個傳送天線和一個接收天線負責感測氣體。若想降低廢氣排放,TI的汽車RF煤灰感測器參考設計中有針對RF感測器在各種汽車排氣系統上的氣體偵測功能加以說明。 排氣感測需具備以下條件: .符合第0級資格的產品。 .由於每個排氣感測器都具備不同模組,因此需透過CAN協定與主要電子控制單元通訊。 .高精確度。 .降低維護成本。 .高溫下的耐用性與耐受性。由於排氣感測系統位於引擎蓋下方,因此排氣感測器溫度範圍將近可達1,500°C。 電流感測器三子系統重要需求 不論是燃油引擎、HEV還是EV,電流感測器都是車輛動力系統中最重要的一環。磁性分流基礎可滿足車輛電流感測的需求,使用者可依感測器位置來選擇適當運作基礎。燃油車輛中的電流感測主要為12V,HEV/EV車輛則為48V,其中EV的範圍可從400V到600或800V。 以下是電流感測各子系統的重要需求: ICE ICE的電流感測適用12V電池,其中精確度和高度整合是主要影響因素。這種電流感測器必須能在高溫下提供精確度;溫度和補償演算法可在廣泛溫度範圍內維持精確度,以避免獨立式電流感測器發生線數故障。 HEV HEV中的電流感測器適用於12V和48V電池、DC/DC轉換器和馬達控制。毫安培至千安培範圍內的電流感測對電池來說尤其重要,必須以共模電壓電流分流感測器來耐受48V電池;電池電流感測必須能在低電流下提供高準確性,才能進行電池充電狀態(State of Charge, SoC)和健康狀態(State of Health, SoH)計算;DC-DC轉換器電流感測需要更高頻寬,才能針對故障快速進行反應;馬達控制電流感測需高電壓轉換率和低反應時間。 EV EV的車載充電器、DC/DC轉換器、牽引馬達和400V至800V高電壓電池都需要進行電流感測。此外,也需隔離電流感測,以進行高電壓處理。分流式電阻器可提供磁性或強化型隔離、高頻率隔離和高線性。 電阻器低功率消耗和隔離式放大器電流感測的設計廣受歡迎,其中EV高電壓電池的低側電流感測結果較為理想,必須透過低電流下的準確度、高整合度及廣泛動態範圍電流感測,來進行電池充電狀態和健康狀態計算。 在精確感測非常重要的情況下,供應商如TI的汽車分流式±500A精確電流感測參考設計可在-40°C至+125°C溫度範圍內,為電池管理系統、馬達電流與其他汽車應用提供<0.2%的全幅範圍。 至於其他用途,電磁閥和其他數個閥門也需要電流感測才能在整個溫度範圍內得到準確結果,因此必須減少溫度漂移和偏移,並須降低分流容忍度。在這種情況下,較理想的方式是採用整合式分流。 感測器設計推動車輛電氣化進程 針對EV與HEV中的高容量電池,如TI的汽車、mA至kA範圍、電流分流感測器參考設計亦說明如何利用匯流排式分流電阻器,偵測來自毫安培至千安培範圍的電流。 隨著新汽車技術的推出和車輛持續電氣化,也對動力系統感測器與相關電子元件帶來許多影響。在HEV和EV中,電流和位置感測器的設計需求出現大幅提升(表3);而具高度準確性的訊號調節器和高精確度的運算放大器,是讓動力系統感測器在嚴峻汽車環境下可靠運作的主要功臣;感測器訊號調節電子元件可幫助克服許多挑戰,如高溫和震動條件、EMI保護,以及汽車安全標準相符性等。 表3 HEV/EV各類感測器及相關配置 在最終分析中,可看到動力系統感測器已準備好面對本時代最大的顛覆性創新科技之一:車輛電氣化。但選擇動力系統感測器和相關訊號調節電子元件時,應仔細回顧基本的設計考量。 (本文作者為德州儀器汽車系統工程師)
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TI新數位隔離器於高溫HEV/EV系統實現可靠通訊與保護

德州儀器(TI)近日推出首款滿足汽車電子委員(AEC)-Q100標準的Grade-0環境工作溫度規格標準的數位隔離器。ISO771E-Q1具有1.5-kVRMS工作電壓,能支援Grade-0溫度等級的最高溫150°C。新型隔離器更能保護低電壓電路,免於受到混合動力電動汽車(HEV)和電動汽車(EV)系統中高壓電流事件的影響,並且不必將之設計在冷卻系統中,就能讓溫度降低至125°C以下(通過Grade-1規格驗證的積體電路最高可支援溫度)。 此外,當在系統設計中進行靈活資料傳輸率的控制區域網路(Controller Area Network Flexible Data Rate, CAN FD)通訊時,工程師能結合ISO7741E-Q1和新型的TCAN1044EV-Q1 Grade-0 CAN FD收發器來提升車載網路(IVN)訊號保護以及覆蓋範圍。 符合Grade-0的IC能達到AEC-Q100最高溫度等級(-40°C至150°C)的要求,也能幫助工程師在嚴峻的環境中簡化HEV/EV系統設計,例如48-V的混合動力電動汽車,其內燃機和電池系統的共同運作可將IC周圍的空氣加熱到125°C以上。TI新型Grade-0裝置ISO771E-Q1和TCAN1044 EV-Q1能在高溫150°C下保持可靠的性能,可被使用在HEV/EV系統的高溫區域,而不需增加物料清單或是複雜的設計。 ISO7741E-Q1採用TI的電容隔離技術,具有高1.5kVRMS工作電壓和5kVRMS隔離電壓,讓工程師使用HEV/EV動力傳動系統和HVAC系統時能更可靠,因為這些系統需要透過隔離層進行訊號傳輸,例如啟動發電機、冷卻風扇和牽引逆變器等。 此裝置具有±100 kV/µs高度典型共模瞬態抗擾度(High Typical Common-mode Transient Immunity),以及±8-kV國際電子電機委員會(IEC)61000-4-2接觸放電保護,能夠在嚴峻的汽車環境中提供額外的系統級保護。
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促進EV/HEV發展 車廠/電池業者各擁對策

全球市場研究機構TrendForce在最新「第一季全球汽車市場解析」報告中指出,2019年全球汽車市場規模預估為9,440萬台,相較於2018年衰退了0.8%。儘管全球汽車市場規模有下滑的趨勢,但車廠轉為搶攻電動車市場,驅動市場發展,預估2019年電動車出貨量為515萬台,年成長率達28%,若僅計算新能源車(不含油電混合車),年增率預估將高達51%。 TrendForce分析師陳虹燕指出,2019年汽車市場受到中美貿易戰的衝擊,預估在五大主要區域市場中,中國與美國的汽車銷售持續下滑,西歐和日本持平至小幅衰退,僅印度在經濟成長力道仍強勁的條件下維持正成長。 陳虹燕進一步分析,中美貿易談判持續進行,雙方目前皆宣布暫停實施懲罰性關稅。然而,貿易戰拖得越久,對2019年的汽車市場就越不利,受影響的國家也將增多。原因在於汽車銷售與國家經濟的連動性高,消費者若對未來的就業、收入成長與整體經濟成長持悲觀態度,對汽車的新購和汰換將出現遲疑和推延消費等現象。 反觀全球電動車市場發展,在全球對於節能減排的期待以及各國相關政策推動的情況下,各車廠積極發展電動車,加快電動車款推出的速度,策略發展朝向將電動車列為全系列新車的選項,穩固在電動車市場的地位。此外,電池廠產能擴充、價格持續下降、電池在地化生產等都為電動車的發展加分。 陳虹燕指出,今年的電動車發展變數多來自於政府政策,尤其中、美兩國有志一同希望將電動車的發展推向市場自由競爭機制,開始縮減補貼額度以及調高門檻,該舉措雖會為電動車車市帶來波動,但對於市場的去蕪存菁有正向幫助。另一電動車產業發展的指標則在於充電站的鋪設速度與普及程度,以及電網負荷程度與供電穩定性,綜合以上考量因素,TrendForce預測,2019年電動車滲透率為5.5%,至2023年將提升至13%~15%。 推動EV/HEV市場 豐田宣布免版稅專利 為促進電動汽車市場發展,並鞏固其在油電混合車的市場優勢,豐田汽車(Toyota)宣布提供免版稅的專利和電動汽車技術支援,藉此把握電動汽車市場開發與推廣的機會。首先,豐田宣布開放其24,000項車輛電氣化相關技術專利。其次則將為其他開發和銷售電動汽車的製造商提供收費技術支援,包括馬達、電池、PCU、控制ECU以及其他車輛電氣化系統技術。 豐田汽車公司執行副總裁Shigeki Terashi表示,由於感受到大量推廣動力混合的需求並接收了許多電動汽車公司電氣化系統相關技術的詢問,豐田認為現在正是合作的時機。藉由授予免版稅專利並為其他開發和銷售電動汽車的製造商車輛電氣化系統提供技術支援,豐田致力於促進電動汽車的普及,進而幫助政府、汽車製造商和整個社會向更環保的目標邁進。 豐田將提供約24,000項專利,授權期立即開始,將持續到2030年底。這些免版稅專利都是電動汽車中的先進技術,特別是用於油電混合車的技術,這些技術幫助豐田增強汽車性能,縮小尺寸和降低成本。更具體地,所包括的專利涉及零件和系統,例如電動機、動力控制單元(PCU)和系統控制。這些是可以應用於各種類型的電動車輛,包括HEV、插電式混合動力車(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV)和燃料電池電動車(Fuel Cell Electric Vehicle, FCEV)等等的開發核心技術。 電動車上路 電池續航里程是關鍵 電動車電池續航的里程長短是影響購買意願的重要因素,為促進電動車發展,瑞士電池製造商Innolith AG近日也宣布其位於德國的實驗室正在開發世界上第一個1000Wh/kg可充電電池。新的Innolith Energy Battery只須充電一次,就能為電動汽車供電超過1,000公里。為了降低成本,Innolith AG避免了必須跨國取得或昂貴的材料,同時也降低了系統的功耗。 Innolith AG在電池的化學過程中採用了創新的轉換方法,以提升每一顆電池的效能。轉化反應材料(Conversion Reaction materials)為高能量密度(High-energy-density)電池提供了新的發展,因為它們可以克服傳統嵌入式(Intercalation-based)材料的缺點,進而提高電池的續航里程。 另外,Innolith Energy Battery將可能成為第一款用於電動汽車的非易燃鋰電池。Innolith AG電池使用不易燃的無機電解質,與使用易燃有機電解質的電池相比安全性較高。 Innolith AG執行長Sergey Buchin表示,目前電動車的發展受到電池限制的阻礙,消費者通常會希望一次充電即可獲得足夠的續航里程,並且具備安全性。Innolith Energy Battery將會是一項突破性技術,可以滿足這些需求。Innolith將在德國初步測試生產,隨後將與主要電池和汽車公司建立合作夥伴關係。Innolith...
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搶攻HEV/EV市場 豐田開放2.4萬個汽車電氣化專利

為搶攻電動汽車(Electric Vehicle, EV)市場商機,並鞏固其在油電混合車(Hybrid Electric Vehicle, HEV)的市場優勢,豐田汽車(Toyota)宣布提供免版稅的專利和電動汽車技術支援,藉此把握電動汽車市場開發與推廣的機會。首先,豐田宣布開放其24,000項車輛電氣化相關技術專利。其次則將為其他開發和銷售電動汽車的製造商提供收費技術支援,包括馬達、電池、PCU、控制ECU以及其他車輛電氣化系統技術。 豐田汽車公司執行副總裁Shigeki Terashi表示,由於感受到大量推廣動力混合的需求並接收了許多電動汽車公司電氣化系統相關技術的詢問,豐田認為現在正是合作的時機。藉由授予免版稅專利並為其他開發和銷售電動汽車的製造商車輛電氣化系統提供技術支援,豐田致力於促進電動汽車的普及,進而幫助政府、汽車製造商和整個社會向更環保的目標邁進。 豐田將提供約24,000項專利,授權期立即開始,將持續到2030年底。這些免版稅專利都是電動汽車中的先進技術,特別是用於油電混合車的技術,這些技術幫助豐田增強汽車性能,縮小尺寸和降低成本。更具體地,所包括的專利涉及零件和系統,例如電動機、動力控制單元(PCU)和系統控制。這些是可以應用於各種類型的電動車輛,包括HEV、插電式混合動力車(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV)和燃料電池電動車(Fuel Cell Electric Vehicle, FCEV)等等的開發核心技術。
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SiC/GaN電源模組封裝材料2023年產業規模達19億美元

碳化矽(SiC)和氮化鎵(GaN)正在推動新的電源封裝解決方案發展,市場研究組織Yole Développement表示,SiC技術逐步成為滿足工業要求的重要解決方案,市場估計2017年至2023年的複合年成長率(CAGR)達到29%。電源模組封裝材料產業在2017~2023年的CAGR為8.2%,產業規模將從12億美元成長到19億美元。 除半導體產業外,EV/HEV產業對高功率密度和機電整合的需求也以專用封裝解決方案推動了許多電力電子創新。在不斷創新的過程中,有兩個主要技術趨勢,用於混合動力汽車的超模壓雙側冷卻模組和用於電動車的帶有針翅式底板的單側冷卻模組。 事實上,2017年是IGBT功率模組市場令人印象深刻的一年,2018年又更上一層樓,上半年成長超過20%。主要原因是EV/HEV產業的推動,特別是在中國。因此,整個電源模組市場預計在2023年將超過55億美元。  
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