Введение
В последние годы автомобили на новых источниках энергии добились большого прогресса на основных автомобильных рынках по всему миру. По данным Европейской ассоциации автопроизводителей ACEA, совокупный объем регистрации автомобилей на новых источниках энергии (BEV+PHEV) в странах ЕС с января по октябрь 2023 г.составило около 1,94 миллиона человек. единиц, годовой прирост около 32% и уровень проникновения более 20%; Согласно данным, опубликованным Китайской ассоциацией легковых автомобилей, розничные продажи новых энергетических транспортных средств в Китае за тот же период достигли 5,962 миллиона единиц, увеличившись в годовом исчислении на 34,7%, а уровень проникновения составил 34,5%.
С расширением рынка и зрелостью соответствующей производственной цепочки новые энергетические транспортные средства уже давно превратились из управляемых политикой в ориентированные на продукцию. Из новых энергетических электромобилей последних лет мы также можем видеть, что произошли значительные улучшения с точки зрения автономного вождения, интеллектуальной кабины, запаса хода и производительности системы электропривода.
Инвертор главного привода является ключевым компонентом управления двигателем главного привода. Он преобразует мощность постоянного тока аккумуляторной батареи в мощность переменного тока приводного двигателя. Эффективность преобразования во многом определяет показатели энергопотребления автомобиля. В то же время пиковая мощность инвертора главного привода в сочетании с высокопроизводительным двигателем главного привода также определяет общую производительность транспортного средства.
Что такое инвертор мощности электромобиля?
Инвертор электромобиля — это устройство, которое преобразует постоянный ток (например, генерируемый батареями и аккумуляторами) в переменный ток (например, синусоидальный ток 220 В, 50 Гц) с регулируемой частотой. В быту используются два типа розеток: 220В/110В. Хотя у нас нет возможности хранить переменный ток, мы можем хранить постоянный ток в батареях, а затем использовать инверторы для преобразования переменного тока в постоянный. Благодаря высокому напряжению и высокой мощности новой энергетической мощностиэлектродвигателиДвигатели переменного тока, для которых не требуются щеточные коммутаторы, используются с учетом более высокой эффективности и длительного срока службы. Вращающееся магнитное поле можно создать на статоре посредством переменного тока, тем самым избавляясь от ограничений щеточного коммутатора и приводя ротор в движение для достижения требуемой скорости и крутящего момента под действием вращающегося магнитного поля. Инвертор силового двигателя, устройство преобразования энергии, преобразует постоянный ток высокого напряжения аккумуляторной батареи в переменный ток, необходимый для силового двигателя.
3. Как работает инвертор в электромобиле?
Принцип работы инвертора электромобиля
В то же время вращающееся магнитное поле, создаваемое преобразователем силового двигателя посредством переменного тока, должно быть точно синхронизировано с постоянным магнитным полем ротора или контролируемо асинхронно с индуцированным магнитным полем ротора. Датчик положения ротора является основой надежной работы инвертора силового двигателя. Датчик положения ротора основан на принципе вращающегося трансформатора и состоит из нескольких индукционных катушек, закрепленных на статоре, и металлического кулачкового диска, закрепленного на роторе. Каждая индукционная катушка имеет обмотку возбуждения и две вторичные обмотки.
4. Основные функции преобразователя мощности электромобиля
Инвертор выполняет в электромобиле три основные функции:
1. Преобразуйте постоянный ток аккумулятора в трехфазный переменный ток для привода двигателя.
2. Измените крутящий момент и скорость двигателя, изменив напряжение и частоту через инвертор.
3. Преобразуйте механическую энергию в электрическую для зарядки аккумулятора во время рекуперации энергии.
Асинхронные двигатели переменного тока в электромобилях
В гибридных и чисто электрических транспортных средствах обычно используются инверторы, как это видно на таких моделях, как Tesla, Toyota Corolla Hybrid и BAIC EV160. Электродвигатели, используемые в электромобилях, приводятся в движение переменным током. Изменяя частоту и амплитуду переменного тока, можно регулировать скорость и мощность двигателя. Чем выше частота управляющего напряжения, тем выше скорость двигателя и чем больше амплитуда управляющего напряжения, тем выше мощность двигателя. Однако нет возможности хранить энергию переменного тока. Аккумуляторы транспортных средств, работающих на новых источниках энергии, хранят энергию постоянного тока, которую нельзя напрямую использовать для привода двигателей переменного тока. Поэтому необходим преобразователь для преобразования энергии постоянного тока в автомобильном аккумуляторе в мощность переменного тока, которая может использоваться двигателем.
При проектировании инверторного блока питания автомобиля можно выделить два основных момента. Один из них — увеличить напряжение аккумулятора до 220 В, а другой — частота должна быть 50 Гц. Для повышения напряжения с 12В до 220В используется схема повышающего прерывателя. Для этого используется схема повышающего прерывателя. Поскольку выходное напряжение намного выше входного, коэффициент повышения составляет около 18. Из принципа работы схемы повышения легко понять, что коэффициент заполнения составляет около 0,95. Теоретически это возможно, но схему повышения напряжения сложно реализовать на практике. Поэтому повышение необходимо добиваться с помощью трансформатора. Если в трансформаторе используется трансформатор промышленной частоты, то объем и вес будут намного больше, чем у высокочастотного трансформатора при одинаковой выходной мощности, что неприемлемо для людей. Поэтому используются высокочастотный трансформатор и схема высокочастотного преобразования. С помощью высокочастотного трансформатора напряжение 12В преобразуется в 220В, при этом выходная частота также должна быть высокой. Многие электрические устройства, работающие от сети напряжением 220 В, не могут напрямую использоваться с высокочастотным переменным током 220 В. Для преобразования высокочастотного постоянного тока в переменный ток частотой 50 Гц требуется дальнейшее преобразование. По общей структуре спроектированная схема состоит из двух частей: первая часть преобразует постоянное напряжение 12 В в переменное напряжение высокой частоты 220 В с помощью высокочастотного трансформатора и соответствующей схемы преобразования, а вторая часть преобразует высокочастотное напряжение переменного тока 220 В. в переменный ток частотой 50 Гц 220 В.
5. Преимущества инвертора электромобиля
Инвертор на электромобиле расположен в контроллере двигателя (MCU). Помимо инвертора имеется еще и контроллер, объединенный в MCU. MCU является центром управления всей энергосистемой. Контроллер получает сигнал запроса приводного двигателя. Когда автомобиль тормозит или ускоряется, контроллер управляет частотой инвертора, чтобы заставить автомобиль двигаться. Инвертор получает выходную мощность постоянного тока от аккумуляторной батареи, преобразует ее в трехфазную мощность переменного тока, чтобы подать ее на двигатель для работы, и играет роль торможения и рекуперации электрической энергии в процессе торможения электромобиля. Как показано на рисунке ниже, инвертор состоит из 6 IGBT, схема модели x — Sa-Sc. Каждая фазная выходная линия (Ia, Ib и Ic) двигателя, а также положительные и отрицательные линии постоянного тока подключены к IGBT. Коммутирующий элемент IGBT в инверторе не может функционировать, когда его температура превышает 150 градусов, поэтому необходимо использовать меры воздушного или водяного охлаждения. Когда автомобиль сообщает о неисправности системы приводного двигателя, например, о перегреве приводного двигателя, перегреве температуры охлаждающей жидкости приводного двигателя и т. д., нам необходимо использовать диагностический прибор, чтобы прочитать конкретное значение кода неисправности, поскольку неисправность отображение на приборной панели не очень конкретное.
6. За пределами транспортных средств: другие приложения
Применение инверторов очень обширно и охватывает множество областей и конкретных сценариев применения. Ниже приведены некоторые из основных областей применения инверторов: фотоэлектрические системы производства электроэнергии, производство солнечной энергии, производство энергии ветра, системы ИБП, авиационная сфера и т. д.
7. Новые тенденции в технологии инверторов электромобилей.
Инвертор главного привода (основной) в электромобиле преобразует напряжение аккумулятора постоянного тока в напряжение переменного тока, тем самым удовлетворяя требованиям к напряжению переменного тока тягового электродвигателя, позволяя ему плавно управлять транспортным средством. Последние тенденции в разработке инверторов главного привода включают в себя:
Повышенная мощность: чем выше выходная мощность инвертора, тем быстрее ускоряется автомобиль и тем лучше он реагирует на действия водителя.
Максимизируйте эффективность: минимизируйте количество электроэнергии, потребляемой инвертором, чтобы увеличить мощность, доступную для движения автомобиля.
Увеличение напряжения. До недавнего времени батареи на 400 В были наиболее распространенной спецификацией в электромобилях, но автомобильная промышленность движется к 800 В, чтобы уменьшить силу тока, толщину кабеля и вес. Для этого главный преобразователь привода электромобилей должен выдерживать такое более высокое напряжение и использовать подходящие компоненты.
Уменьшите вес и размер: SiC имеет более высокую плотность мощности (кВт/кг), чем кремниевые IGBT. Более высокая плотность мощности помогает уменьшить размер системы (кВт/л), уменьшая вес инвертора главного привода и одновременно снижая нагрузку на двигатель. Уменьшенный вес автомобиля помогает продлить срок службы автомобиля при той же батарее, одновременно уменьшая размер трансмиссии и увеличивая доступное пространство для пассажиров и багажника.
По сравнению с кремнием карбид кремния имеет ряд преимуществ с точки зрения свойств материала, что делает его лучшим выбором для конструкции преобразователя главного привода. Во-первых, это его физическая твердость, которая достигает твердости 9,5 Мооса, тогда как твердость кремния составляет 6,5 Мооса, поэтому карбид кремния больше подходит для спекания под высоким давлением и имеет более высокую механическую целостность. Кроме того, теплопроводность карбида кремния (4,9 Вт/см К) более чем в четыре раза превышает теплопроводность кремния (1,15 Вт/см К), что означает, что он может более эффективно передавать тепло и надежно работать при более высоких температурах. Напряжение пробоя карбида кремния (2500 кВ/см) более чем в 8 раз превышает напряжение пробоя кремния (300 кВ/см), и он обладает свойством широкой запрещенной зоны, что позволяет быстрее включаться и выключаться, что делает его лучшим выбором для все более высокого напряжения. (800В) архитектура электромобилей. В то же время более широкое напряжение запрещенной зоны означает, что он имеет меньшие потери, чем кремний. SiC-MOSFET не имеет хвостового тока, имеет высокую подвижность носителей и снижает потери при переключении устройства. Модуль Si-IGBT содержит диод быстрого восстановления (FRD), который в выключенном состоянии имеет обратный ток восстановления и хвостовой ток, что приводит к ограничению скорости переключения и большим потерям при выключении. Материал SiC имеет более высокую плотность тока и меньший размер корпуса при том же уровне мощности.
8. Проблемы разработки инверторов для электромобилей
В тяговом инверторе микроконтроллер (MCU) является мозгом системы, выполняющим управление двигателем, выборку напряжения и тока через аналого-цифровые преобразователи (АЦП), расчет алгоритмов полеориентированного управления (FOC) с использованием магнитных сердечников и управление силовыми полевыми транзисторами (FET). с использованием сигналов широтно-импульсной модуляции (ШИМ).
Для MCU переход на тяговые инверторы на 800 В создает три проблемы: 1. Требования к эффективности управления в реальном времени с меньшей задержкой. 2. Повышенные требования к функциональной безопасности. 3. Необходимость быстрого реагирования на сбои системы.
Даже в условиях высоких температур наше решение по-прежнему эффективно, что делает возможным применение небольших инверторов. В настоящее время при проектировании электрических и гибридных транспортных средств производители эффективно решают такие проблемы, как энергетическая выносливость, мощность, надежность и экономическая эффективность, используя свои профессиональные знания и опыт, и получили широкое признание в отрасли.
Мы обсудили с несколькими старшими инженерами OEM-производителей вопросы разработки аккумуляторных батарей, и они предположили, что оптимальный запас хода электромобилей составляет около 400 километров, а если можно уменьшить размер и вес, то электромобили могут стать более эффективными. Основываясь на этой точке зрения, OEM-производители будут сознательно сокращать количество аккумуляторов, чтобы сделать автомобиль легче и экономичнее, сохраняя при этом требования к запасу хода.
По мере производства большего количества электромобилей тенденция проектирования будет смещаться к технологии SiC и 800 В, при этом существует необходимость улучшить характеристики управления двигателем и удовлетворить требования функциональной безопасности для тяговых инверторов.
9. Перспективы развития инверторов электромобилей на будущее
Некоторые автопроизводители устанавливают партнерские отношения с поставщиками полупроводников и чипов для перехода на технологию SiC.
Geely: В 2021 году Rohm Semiconductor и Geely объявили о сотрудничестве по разработке силовых устройств на основе карбида кремния. В рамках партнерства Geely будет использовать силовые устройства Rohm SiC в своих приводных инверторах и бортовых системах зарядки, стремясь расширить запас хода своих электромобилей.
General Motors: в 2021 году General Motors подписала соглашение о поставщике с Wolfspeed, Inc., в соответствии с которым Wolfspeed будет поставлять силовые устройства SiC для двигателей GM Ultium Drive.
Mercedes-Benz: В 2022 году компания ON Semiconductor объявила, что ее технология SiC для инверторов была использована Mercedes-Benz в ее полностью электрическом электромобиле VISION EQXX.
Volkswagen: В январе 2023 года Volkswagen установил стратегическое партнерство с Onsemi. Согласно соглашению, Onsemi будет поставлять Volkswagen силовые модули SiC (силовые модули EliteSiC) и технологии для электромобилей Volkswagen следующего поколения.
Общий мировой спрос на инверторы вырастет с 43,99 миллионов единиц в 2023 году до 120 миллионов единиц в 2034 году, при этом совокупный годовой темп роста составит 9,55%. В настоящее время инверторы IGBT являются наиболее широко используемым типом инверторов во всех типах электромобилей во всем мире, за ними следует Si MOSFET. Однако с увеличением спроса на BEV и переходом на архитектуру 800 В спрос на инверторы SiC, вероятно, увеличится. К 2034 году доля рынка SiC и IGBT-инверторов достигнет 44% и 45% соответственно, разделившись практически поровну.
10. Заключение
Поскольку спрос на повышенную эффективность и увеличенный запас хода сохраняется, автомобильная промышленность станет свидетелем того, как большинство электромобилей автопроизводителей перейдут на архитектуру с напряжением 800 В. Благодаря высокой эффективности переключения и низким потерям на SiC-инверторы спрос будет высоким, и они получат широкое распространение. Широкое внедрение инверторов SiC приведет к тому, что многие автопроизводители и поставщики примут решение о вертикальной интеграции с полупроводниковыми компаниями для обеспечения поставок SiC.