Тенденции при силовите компоненти за електромобили

ЕлектроапаратурaСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 6, 2013

Тенденции при силовите компоненти за електромобили

Андреас Манглер

Eлектромобилността е сред от основните движещи сили за разработката на нови компоненти и технологии. Тя поставя нови задачи пред производителите на автомобили,  OEM компаниите и дистрибуторите също са ключов фактор при тяхното решаване.

Към силовите електронни системи, използвани в електрическите и хибридните автомобили, спадат освен самото задвижване също и системата за управление на акумулаторите. Основна роля тук играе инверторната технология, реализираща управлението на големи токове и напрежения при ускорение и рекуперация.

Сред главните цели на повечето разработки е увеличаването на ефективността и експлоатационния срок на системата при колкото е възможно по-ниски общи разходи. Тези фактори често са в противоречие, понеже високите честоти на комутация в инверторите се съпътстват от високи температури на преходите, които съкращават живота на мощните полупроводникови елементи.

Тук могат да помогнат компоненти с малки комутационни загуби като базирани на силициев карбид (SiC) IGBT, осигуряващи по-голяма енергийна плътност и компактна конструкция, както и по-ниски изисквания към управлението на температурния режим. Те имат значително по-малки паразитни капацитети в сравнение с традиционните силициеви мощни прибори и вследствие на това имат по-малки комутационни загуби, генерират по-малко топлина и осигуряват по-силен ток на единица площ. "По-стабилният" материал издържа на по-високи температури с по-ниски съпротивления в отпушено състояние и поради това се постигат по-високи честоти на комутация при по-малко загряване.

Понастоящем Rohm произвежда първите серийни SiC IGBT и съответните диоди. Тези силови компоненти, реализирани чрез технология, използваща силициев карбид, са с 85% по-малки комутационни загуби в сравнение със силициевите IGBT с един защитен диод. Поради по-малката отделена топлина, въпреки по-голямата енергийна плътност, се удължава животът на компонентите, а оттук и на цялата система, което е решаващ за електрическите транспортни средства показател.  Електронна система за управление на двигателя, която би трябвало да се смени след десет години, би била неприемлива за крайния потребител.

В момента обаче пазарът не е готов да плати високата цена на SiC IGBT. Освен това приложението им променя в значителна степен и профила на изискванията за бързодействие на драйверните модули и пасивните елементи на схемите, както и изискванията за електромагнитна съвместимост. Докато цената на SiC IGBT не стане пазарно приемлива, решението е да не се излиза извън безопасната работна област (SOA) на компонентите, трябва да се избягват високите температури и по този начин да се гарантира дълъг срок на експлоатация на целия електронен модул.

Електромобилността изисква също изцяло нови подходи при монтажа. Производителят Bosch Semiconductor разработи първите IGBT, при които мощните контакти не трябва да се завинтват, а могат да се заваряват. Понеже контактните съединения към чипа са реализирани без проводници, IGBT е значително по-устойчив на вибрации. Надеждността се увеличава и поради отсъствието на натоварване от въртящия момент при завинтването.

Заварените връзки отвеждат топлината по-ефективно чрез главния съединител, което допълнително увеличава надеждността и срока на експлоатация на системата, съответно позволява по-високи работни честоти. Освен това може да бъде постигната по-компактна конструкция в сравнение с корпусите на модули, които се завинтват. Допълнително предимство е и фактът, че цялата система може да се произвежда по-ефективно, понеже контактите се осъществяват фабрично.

Системите за съхранение на енергия
Основните цели при разработката на нови акумулатори на енергия са високата енергийна плътност, монтажът при оптимално управление на температурния режим и малкото тегло. Една интересна алтернатива на акумулаторите или системите само с горивни клетки е комбинацията на тези широко използвани компоненти с двуслойни кондензатори, разработвани от Maxwell.

Те превъзхождат акумулаторите почти по всички характеристики, като единственото изключение е енергийната плътност. Поради това те не могат да бъдат използвани като единствен акумулатор на енергия за задвижване. Обаче способността им за бързо натрупване и отдаване на голямо количество енергия ги прави идеално допълнение за квазипаралелна работа с класическите акумулатори. При пътуване акумулаторът или двигателят с вътрешно горене подават постоянно средно количество енергия.

Пиковите мощности при ускорение и спиране се отдават (или съответно поемат) за кратко време от кондензаторите. По този начин се намалява броят цикли на зареждане на акумулаторите, което увеличава техния живот. Освен това двуслойните кондензатори допринасят за по-добрата обща ефективност и забележителното ускорение на електрическите и хибридните автомобили.

Известно е, че оптималното решение никога не зависи само от един компонент, а от точното съгласуване на всички компоненти. Затова е важно винаги да се анализира и оценява общото решение – както от техническа гледна точка, така и от гледна точка на разходите и ползите. Пасивните и електромеханичните компоненти често са също толкова важни и имат също висок дял в себестойността като полупроводниковите. Дистрибуторите, разполагащи с широка гама от компоненти, осигуряващи адекватно технологично и пазарно ноу-хау и силна позиция на автомобилния пазар са мощен партньор в съревнованието за електрическа мобилност.

ЕКСКЛУЗИВНО

Top