OBC
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)
羅姆SiC功率元件獲UAES應用於OBC
羅姆(ROHM)的SiC功率元件(SiC MOSFET)獲得中國車界Tier1供應商聯合汽車電子有限公司(UAES)採用,將應用於電動車充電器(On Board Charger, OBC)。UAES公司預計將於2020年10月起向汽車製造商供應該款OBC。
與IGBT等Si(矽)功率元件相比,SiC功率元件是一種能大幅降低損耗的半導體, 因此在電動車以及基礎設施、環境能源、工控裝置領域的應用日益廣泛。
ROHM於2010年開始量產SiC MOSFET,積極推動相關產品的研發。而在汽車領域,ROHM於2012年開始供應車電產品,並在電動車快速充電器領域擁有較高的市占率,該產品也逐漸導入於電動車的馬達和逆變器中。
本次ROHM的SiC MOSFET被UAES公司的OBC產品所採用,與傳統的OBC相比,全新OBC單元的效率提高1%(效率高達95.7%,功率損耗比傳統降低約20%)。該解決方案也獲得UAES頒發的2019年度最佳技術進步獎。
未來,ROHM將不斷擴大產品線,並結合可充分發揮元件性能的控制IC等周邊元件和模組化技術優勢,繼續提供有助下一代汽車技術革新的電源解決方案。
ADI攜手Rimac為高性能電動汽車提供精準電池管理
亞德諾半導體(ADI)宣布高性能電動汽車領域技術廠商Rimac計畫將ADI的電池管理系統(BMS)IC應用於Rimac的BMS中,相關技術使Rimac的BMS能可靠運算任何給定時間內的電量狀態和其他電池參數,以從電池中獲取最大電能和電量。
Rimac執行長Mate Rimac表示,Rimac為全球眾多汽車公司開發和製造關鍵電氣化系統。同時,該公司超級跑車也為電動汽車的性能樹立更高標竿,對於BMS要求極為嚴苛,其需實現極高的精度、極短時間內的電流和電壓劇烈變化以及在電池管理控制系統內快速動態調整。該公司決定在整個電池管理系統產品線上採用ADI的電池管理IC產品組合。ADI的IC產品是Rimac自主研發BMS的重要組成部分,不僅將用於自有汽車,並將應用於全球眾多汽車品牌。在針對市場上該類IC進行對比測試後,結果證實ADI的產品能夠在汽車生命週期內提供精準測量精度和產品可靠性。期待未來與ADI合作能於汽車和電池組中實現高性能BMS。
Rimac C_Two為一款純電動超級跑車,最高時速可達412km/h。C_Two引擎具有1,914匹馬力,0-96km/h加速時間1.85秒,0-300km/h加速時間11.8秒。為了支援高性能輸出,Rimac團隊更設計和打造包括電動傳動系統和電池組等底層技術。
BMS技術相當於電池組背後的「大腦」,其管理輸出、充放電,並在車輛運行期間提供精準測量。BMS也透過重要的保護措施以防電池受損。電池組由多組獨立的電池單元組成,這些電池單元無縫地為汽車提供最大的電力輸出。如果電池單元之間失去均衡將會受到應力影響導致充電過早終止,進而縮短電池總體壽命。ADI的電池管理IC提供高度精準的測量,不僅使車輛能更安全地運行,且最大化每次充電後的續航里程。
ADI汽車電氣化和資訊娛樂事業部副總裁Patrick Morgan表示,高性能電動汽車需要高度準確的電子設備。高精準度可直接轉化為快速充電時間、最大化的電池容量和里程。非常高興能透過精準電池管理IC支援Rimac的電動汽車系統,實現全球性的優異性能。
ADI提供廣泛精密電池管理IC,在眾多業界應用中支援多種電池配置和電池類型。除電動汽車電池管理系統外,並包括車載充電器(OBC)、大功率電力儲存系統(ESS)、備用電池系統和高壓資料擷取系統等應用。