Новости в елементната база за електромобили и зарядни станции

Стефан Куцаров

Идеята за използване на електродвигателите в средства за придвижване възниква от първата половина на XIX век и достига до създаването в Англия през 1884 г. на първия електромобил. Независимо от оптимистичните начални стъпки (през 1900 г. в САЩ е имало 12 компании производителки) ограниченият вследствие на достъпните акумулаторни технологии пробег е причината до началото на настоящия век електромобилите (Electrical Vehicle – EV) реално да бъдат забравени. Бързото им съвременно възраждане се дължи на усилията и сериозните успехи на множество производители в създаването на все повече модели и стартиране на серийното им производство.

Очакванията са, че двигателите с вътрешно горене (ДВГ) постепенно ще слязат от сцената. Сред причините за този оптимизъм са вече наличието на акумулатори, осигуряващи немалък пробег с едно зареждане, по-простото и сигурно действие на електродвигателите в сравнение с ДВГ и важният дял на електрониката за осигуряване на желаните параметри на EV и комфорт в пътуването на все по-капризните потребители. Засега съществуват три основни разновидности на EV, първата от които обхваща работещите само с акумулатор (Battery EV, All-electric vehicle) BEV. Терминът Plug-in Hybrid EV (PHEV) се отнася за автомобилите, които в нормален режим на работа могат да се задвижват от ДВГ, а зареденият от електрическата мрежа акумулатор и електродвигателите се ползват за подобряване на динамичните параметри и за автономно движение в продължение на няколко десетки km. Подобни са Hybrid EV (HEV), но акумулаторът им не може да се зарежда от мрежата, а само от ДВГ (и енергията при спиране – Regenerative Brakes).

Съществена особеност на електрониката в ЕV са, че ползваните елементи са в съответствие със стандартите на автомобилостроенето (вкл. най-новия AEC-Q200 и отнасящите се до качеството на производството като TS 1694) и че те имат приложения в електрическите мотоциклети, велосипеди (Electric Bike), тротинетки и т. н. Към това се прибавят множество други области за приложение на елементите, например в индустрията. Не са малко местата в ЕV със значителни температури, поради което бързо нарасна приложението на полупроводниците с увеличена забранена зона (Wide Band Gap) WBG и на първо място на SiC. Сред известните предимства на SiC спрямо Si са около 2,5 пъти по-доброто охлаждане и подобрената надеждност – вече има SiC елементи с експлоатационен срок от 6.10⁹ часа.

Друга особеност е напрежението от порядъка на 400 V на акумулаторите за електродвигателите на ЕV, което налага използването на елементи с работно напрежение не по-малко от 600 V и на понижаващи постояннотокови стабилизатори. Разбира се, част от електронните елементи в ЕV са същите, както в автомобилите с ДВГ, поради което те не са включени в статията. Използваните в ЕV светодиоди практически не се различават от тези в останалите автомобили (новостите в тази област ще бъдат представени в статията “Нови компоненти за LED осветление” в следващия брой на списанието).

Пасивни елементи

Част от блоковете в ЕV, например електродвигателите и акумулаторът, консумират значителни токове, контролът на които се осъществява чрез измерване на напрежението върху мощен нискоомен резистор. Сред тънкослойните (Thin Film Resistor) е серията SMT DPAK/TO220 на Bourns със съпротивления между 20 mΩ и 130 kΩ при разсейвана мощност от 20 до 35 W. С по-малки съпротивления са Current Sensing Resistor, каквато е серията 73WLx на CTS със съпротивления 5 - 910 mΩ, разсейвана мощност 0,75 - 2 W и максимална работна температура +155°С. С много малко съпротивление и широк температурен обхват са резисторите, представляващи ленти от медни сплави (Metal Strip Resistor), каквато е серията WSBS8518…40 на Vishay Dale със съпротивления между 50 µΩ и 1 mΩ, разсейвана мощност 36 W и температурен обхват -65÷+170°С. Сред характерните примери е и CSS2H-2512C-000 от CSS2H-2512 Series на Bourns със съпротивление до 0,1 mW, максимален ток 100 А и температурен обхват -55÷+170°С.

При бобините могат да бъдат споменати две серии. Първата е IHLP-3232DZ-1A на Vishay Dale с индуктивности 0,22 - 33 mH, ток на насищане 32 - 3,2 А и температурен обхват -55÷+125°С. С по-малки индуктивности (0,1 – 100 μH) е НСМ1АV2 на Eaton Electronics Division (Coiltronics) за токове 1,3 – 66 А.

За увеличаване на експлоатационния срок на акумулаторите и евентуално на пробега между две зареждания успоредно на тях може да се свърже суперкондензатор. Такъв е XVM-259 Supercapacitor PCBA Module на Eaton Electronics Division с капацитет 6,25 F и максимално работно напрежение 259 V, в който могат да се натрупват 58,3 Wh.

Дискретни полупроводникови прибори

Двата основни вида в ЕV са диодите и транзисторите.
Диоди. С най-голямо приложение са диодите на Шотки на основата на SiC (Silicon Carbide Schottky Diode), често означавани като SBR - от Schottky Barrier Diode. Поради използването в тях на преход метал-полупроводник напрежението им в право свързване (Forward Voltage) V_F е по-малко от това на диодите с p-n преход, към което предимство се прибавят наличието на големи обратни напрежения (Reverse Voltage) V_R и реалната липса на загуби при включването и изключването им. В табл. 1 са показани част от основните параметри на SBR, като I_F е постоянният ток при околна температура 25°С, при същата температура е и максималната разсейвана мощност P_D, работният температурен обхват на полупроводниковия кристал е T_J и R_θJC е топлинното съпротивление кристал-корпус. Предпочита се T_J вместо ползваната по-често температура на корпуса, тъй като последната зависи от почти винаги поставяния радиатор.

Технологията Super Barrier Rectifier на производителя Diodes Inc. e за Шотки диоди с намалено V_F, специално предназначени за автомобили. Такъв е SBR15U30SP5Q с V_F=0,42 V, I_F=15 A, V_R=30 V и T_J=-55÷+150°С. Сравнително по-рядко в EV се ползват мощни ценерови диоди, каквато е серията DFLZ5V1Q-DFLZ39Q на същия производител. Тя съдържа силициеви диоди с ценерово напрежение между 5,1 V и 39 V при стойности в съответствие с 5-процентовия ред на резисторите. Максималният ток е между 10 и 100 mA и работната температура е -55÷+150°С.

Мощни MOS транзистори. Предлагат се прибори от Si и SiC, като основни предимства на втория тип са по-малкото съпротивление на канала R_DS(on) и възможността за получаване на по-голям ток дрейн-сорс I_DS при дадени размери на корпуса и съответно по-малък корпус за даден IDS. Произвеждат се главно N-канални транзистори с максимално постоянно напрежение дрейн-сорс V_DS (означава се и като BV_DSS от Drain-Source Breakdown Voltage) със стойности между няколко десетки волта и 1700 V и с вграден диод за предпазване от отрицателни стойности на V_DS. Съществуват двойки N-канален и Р-канален транзистор с еднакви V_DS (DMC6040SSDQ в табл. 2 и SQ1539EH на Vishay Siliconics), както и два независими един от друг транзистора с един тип канал, каквито са FDS9958-F085 на ON Semiconductor с Р-канал и SQ1902AEL на Vishay Siliconics с N-канал. Стойността на I_DS е неизменна (дадената в табл. 2) до температура на корпуса Т_С 20 или 25°С, след която намалява. В документацията това се отчита чрез графика I_DS(T_C) или стойности на тока за една или повече по-високи температури. Същото се отнася и за максималната разсейвана мощност P_D, която при максималната работна температура T_Jmax е нула. При използването на транзисторите трябва да се има предвид, че в част от моделите P_D е в сила за транзистор, монтиран върху определен радиатор, даден в техническата документация. Важна е и областта на безопасна работа (Save Operating Area) SOA, определяна от семейство графики I_DS(V_DS).

В табл. 2 са дадени няколко от основните параметри на мощни MOSFET транзистори, като този на Vishay Siliconix е част от серия от 250 транзистора. Извън таблицата трябва да се отбележи серията MSC на Microchip Technology от 25 SiC транзистора с V_DS от 700 V, 1200 V и 1700 V и R_DS(on) между 15 mΩ и 750 mΩ.

Биполярни транзистори с изолиран гейт (IGBT). Познатите отдавна в силовата електроника силициеви IGBT се ползват в ЕV главно в инверторите за захранване на електродвигателите. Бързото развитие на SiC MOSFET позволи появата на модели със значително по-малка в сравнение с IGBT консумирана мощност при включването и изключването им (например 30 W вместо 100 W), което означава намалена консумация на енергия от реализираните с тях схеми и по-малки размери на корпусите. Сред примерите за резултата от това е намаляването с 40% на обема на инвертор с мощност 200 kW и на теглото му от 15 на 9 kg. Тази и други особености определят постепенното нарастване на относителния дял на мощните MOSFET. От съвременните модели на IGBT могат да бъдат отбелязани няколко характерни типа. AIKP20N60CT на Infineon е с максимално напрежение колектор-емитер V_CE=600 V, максимален колекторен ток I_C=20 A, R_θJC=0,9°C/W и T_J=
-40÷+175°C. От STMicroelectronics е транзисторът STGYA120M65DF2AG с V_CE=650 V, I_C=120 A, R_θJC=0,9°C/W и T_J=-55÷+175°C. И накрая сериите POWER MOS 7 и POWER MOS 8 на Microchip Technology съдържат 90 IGBT с V_CE=600 V, 650 V, 900 V и 1200 V при ток I_C между 8 и 75 А.

Интегрални схеми с общо предназначение

Наименованието на тази първа група ИС се дължи на възможността за използването им в почти всички възли на ЕV, в НЕV и РНЕV и на множество други места извън тях. Тук са разгледани двата основни типа.

Драйвери. Тези ИС са с най-голям дял от използваните в ЕV, тъй като голяма част от управленията на техните блокове изискват IGBT и MOSFET. Полезно е да се има предвид, че спецификата на съвременните SiC MOSFET позволява драйверите за тях да имат предимството на по-малка изходна мощност в сравнение с тези за Si MOSFET и за IGBT. Основните особености на драйверите са дадени на втория ред в табл. 3, първата от които е, че повечето могат да управляват MOSFET и IGBT, като има и драйвери за SiC MOSFET. Значително по-малко са тези само за MOSFET или IGBT.

Втората особеност е свързана с изхода на драйверите. При осигуряване на влизащ ток I_o в гейта на управлявания транзистор те са консумиращи (Sink) и свързването на управлявания им товар (Load) е показаното на фиг. 1а. При излизащ ток драйверите са източници (Source) - фиг. 1б. В табл.3 те са означени като SNK/SRC от международно приетия термин sink/source. За захранване на полумостови товари се ползват полумостовите драйвери (half-bridge driver) с отделни изходи HO и LO за всеки транзистор и свързване, показано на фиг. 1в. При такива товари могат да се използват и отделни драйвери SNK/SRC за всеки от транзисторите. Високото работно напрежение на електродвигателите на ЕV е не по-малко от 400 V, което налага галваничното му разделяне от входа IN на драйверите. В тези с вградено галванично разделяне осъществяващият го трансформатор не увеличава особено размерите на ИС, например тези на STGAP1AS от табл. 3 са 15,2х7,4х2,35 mm. Подобно на много други ИС част от драйверите имат вход за разрешаване на работата им и/или вграден интерфейс, най-често SPI.

Управлението на товарите и най-вече на електродвигателите изисква минимално време за включването и изключването им след подаване на импулс на входа на драйверите. Поради значителния входен капацитет на MOSFET и IGBT за намаляване на времето е необходим голям изходен ток на драйверите. Типичните му импулсни стойности I_OUT се виждат от табл. 3, а означаването му с ± показва действието на драйвера като SNK/SRC. Важна характеристика за оценяване на бързодействието са дадените в таблицата продължителности t_r на предния фронт на изходните импулси на драйвера и t_f на задния им фронт. Към тях се прибавя времето за преминаването им от входа до изхода на драйвера (Propagation Time), което не фигурира в таблицата и има типични стойности няколко десетки ns.

Постояннотокови стабилизатори. Ползват ги практически всички устройства в купето, но те имат приложения и в системите за контрол и управление на ЕV извън него. Нямат принципни различия от използваните в автомобилите с ДВГ и стационарна електроника, а в зависимост от изискванията към всяко устройство и неговите параметри се ползват линейни (LDO) и ключови (SMPS) стабилизатори. Специфична особеност на ЕV е наличието в тях на значителни електромагнитни смущения и на чувствителни към тях блокове. Това налага по-строги изисквания при използването на SMPS и на малки пулсации в изходното им напрежение. Когато входното им напрежение V_IN се взема непосредствено от акумулатора (12, 24 или 48 V) и е по-високо от необходимите изходни напрежения V_OUT, се ползват понижаващи SMPS, а за да могат да работят с различните видове акумулатори трябва V_IN да е в широки граници. Такива са високоволтовите синхронни стабилизатори (HV Synchronous Buck Regulator), пример за какъвто е MPQ2420A-AEC1 на Monolithic Power Systems (MPS) с V_IN=4,5÷75 V, максимален изходен ток I_o=0,3 A и задавано чрез делител V_OUT между 1 V и 0,9 V_IN. С още по-широк обхват (V_IN=6÷100 V) е създаденият специално за автомобили LM5164-Q1 на Texas Instruments с I_o=1 A. Необходимостта от стабилизатори с повече от едно V_OUT, известни като Power Management IC (PMIC), не отминава и ЕV. Такъв е L5964 на STMicroelectronics за V_IN=3,3÷ 26 V, съдържащ два SMPS с I_o=3,5 A и един LDO с I_o=250 mA, като V_OUT на всеки от тях се задава чрез външен делител. Популярни са и PMIC с малко V_IN, например в системите за увеличаване на сигурността по време на движение (Advanced Driver-Assistance Systems - ADAS). Такава е серията S6BP401A на Cypress Semiconductor с V_IN=4,5-5,5 V и 15 модела, всеки от които е с фиксирани стойности на V_OUT на четирите си SMPS и двата LDO.

Модули

Модулните решения улесняват и ускоряват монтажа на електронните системи в сравнение с ползването на дискретни елементи. Към това се прибавя по-голямата им надеждност, което е важна предпоставка за удължаване на гаранционния и експлоатационния срок на автомобилите. Същевременно към модулите няма толкова строги изисквания за малки размери както при електронните апаратури и особено при портативните. Това улеснява мерките за добро охлаждане на блоковете в ЕV работещи с големи токове, в които е мястото на основния вид с логичното наименование мощни модули (Power Module) PM.

В зависимост от използваните полупроводникови прибори има три основни вида РМ – диодни, с MOSFET и с IGBT, като последните два вида съдържат и предпазни диоди. Сравнително по-малко са РМ едновременно с MOSFET и IGBT, както и на тези с неголеми токове.

Класификацията на РМ от производителите се прави в зависимост от реализиращата ги схема. Най-прости са модулите с един IGBT и основни приложения като ключове. Такъв е APTGT600U170D4G на Microchip Technology за работа с напрежения до 1700 V и осигуряващ ток 600 А. Утвърдени и продължаващи да се използват са диодните модули със SiC (SiC Diode Module). Реализират се с два диода (Dual Diode) или мостова схема (Full Bridge) с логични приложения за токоизправители. Сред типичните примери е серията от 15 модула на Microchip Technology с напрежения 600 и 1200 V и токове между 20 и 60 А, един от които е APTDC40HG01G.

Съвременните полумостови модули (Half-Bridge Module) са с два MOSFET или IGBT и са предназначени главно за инвертори. Пример за първия вид е CAS325M12HM2 на Cree за напрежение 1200 V, ток 444 А и размери 110x65x10 mm. С IGBT е създадената от Infineon Technologies специално за НЕV и ЕV серия Hybrid PACK Drive750V от 8 модула с вграден термистор за контрол на температурата им. В нея с най-голям ток (950 А) е FS950R08A6P2B. Трифазните модули (Three-Phase Power Module) са предназначени основно за захранване на електродвигателите и инверторите в ЕV. По-голямата мощност на първите определя ползването главно на IGBT, каквито са APTGL40X120T3G на Microchip за напрежение 1200 V и ток 40 А, и NFVA35065L32 на ON Semiconductor за 650V/50А. Последният според производителя е “интелигентен” заради съдържащите се драйвери за всеки IGBT и няколкото схеми за защита. Microchip предлага модула FTCO3V455A2 с MOSFET и 40V/150А, предназначен за захранване на помощни електромотори като тези за помпи за вода и масло и за вентилатори.

С по-ограничени приложения са модулите на постояннотокови стабилизатори, например в системите за управление (Electronic Control Unit) ECU, информационно-развлекателните системи, камерите за задно виждане и др. Сред последните новости е МРМ3810А на MPS с V_IN=2,6-6 V, задавано чрез външен делител V_OUT между 0,12 V_IN и V_IN и максимален изходен ток 1,2 А.

Специализирана електроника в ЕV

Темповете на развитие на автомобилната електроника имат твърде малко аналози в съвременния свят. Производителите влагат големи средства за развойна дейност и предлагат все повече продукти, появяват се нови компании, а класическите автомобилни гиганти създават отдели за автомобилна електроника. Всичко това в най-голяма степен се отнася за ЕV поради по-големия дял на електрониката в тях. Сред основните места за нейното използване са системите за зареждане и контрол (Battery Management Systems) BMS на осигуряващия движението на ЕV акумулатор TBP (Traction Battery Pack), който е с напрежение 200-800 V, голям капацитет и токове. Допълнителният акумулатор (Auxiliary Battery, LV Battery) LVB е за останалата електроника, има напрежение 12 V или 48 V и може да е оловно-киселинен или някой тип литиев.

BMS. За зареждане на ТВР има две разновидности на системите, първата от които е от свързваното към електрическата мрежа зарядно устройство в ЕV (On-Board Charging) OBС с една от възможните структури, показана на фиг. 2. Нейното действие се управлява от Contr, който почти винаги е микроконтролер, например SPC58 на STMicroelectronics или Real-Time C2000 на Texas Instruments. За контрол на мрежовото напрежение е сензорът VS, а за консумирания от него ток е IS. Филтърът F не позволява смущения от преобразувателя DC/DC да достигат до мрежата, а PFC+R има функции да подобрява фактора на мощността, да осигурява високото постоянно напрежение НV на ТВР и галваничното му отделяне от предните блокове. За реализацията на PFC+R се ползват ИС, например STGAP1AS, SCTW100N65G2AG и STPSC10065-Y на STMicroelectronics. Поради важността на PFC в блока могат да се ползват и контролери за реализацията му, какъвто е UCC29070A на Texas Instruments. Съществуват и фабрично произвеждани устройства за ОВС.

Класическото зареждане на LVB в ЕV е от електрическата мрежа, но постепенно добива популярност зареждането им от ТВР. Това означава наличие на връзка между двата акумулатора през зарядния блок и то води до появата на двупосочните преобразуватели (Bidirectional DC/DC Converter) за прехвърляне при нужда на енергия от LVB към ТВР. Идея за структурата им е дадена на фиг. 3. Между високоволтовото стъпало HVSt и нисковолтовото LVSt има галванично разделяне, а техните дискретни транзистори се управляват от микроконтролера Contr чрез съответните драйвери. Посоката на обмен на енергията също се задава от Contr. За преобразуватели с напрежения 12 и 48 V е предвидена ИС ISL78226 на Renesas Electronics, като съществуват и модули на преобразуватели – например TIDU638 на Texas Instruments.
Контролът в BMS представлява измерване чрез специализирани ИС на величини, характеризиращи работата на акумулатора. Практически всички съвременни ИС осигуряват измерването на напрежението на последователно свързаните клетки (Cell Battery Stack) на акумулатора, извършвано за всяка клетка поотделно с грешка няколко процента. Схемата LTC6812-1 на Analog Devices е за акумулатори с 15 клетки с напрежение 0-5 V, като данните от измерването се предават чрез SPI на разстояние до 100 m. За акумулатори с 14 клетки и напрежения между -2,5 V и +5 V е МАХ17853 на Maxim Integrated, която има 6 допълнителни входа за измерване на температура. Също с 14 клетки, но напрежения 1,65 V – 4,28 V е ISL78714 на Renesas, която дава възможност за свързване на 30 ИС в мрежа с SPI. Texas Instruments произвежда BQ79606A-Q1 за 12 V и 48 V акумулатори, измерване на напрежението на 3 до 6 техни клетки и последователно свързване до 64 акумулатора. Интегралната схема се препоръчва за електрически велосипеди и тротинетки.

Управление на електродвигателите. Действието им се осигурява от две категории инвертори с дискретни транзистори (обикновено IGBT) и микропроцесорно управление. Първата от тях (Traction Inverter) е за електродвигателите за задвижване, а втората е за допълнителните електродвигатели. Опростената структура на инвертор за трифазен електродвигател е показана на фиг. 4.

Напрежението V_BAT е от нисковолтов акумулатор, а оборотите на електродвигателя М се задават чрез CAN и блока SBC (от System Basis Chip), съдържащ примерно ИС FS6500 на NXP. Микроконтролерът MCU осигурява BMS и контролира М чрез обратната връзка FB. Блокът DC/DC+Dr е за високото постоянно напрежение за намотките на М, всяка от които се захранва от полумост с IGBT и частта DR съдържа 6 драйвера за тях. Съществуват разновидности на драйверите за постояннотокови електродвигатели с колектор (Brushed DC) и за безколекторни (Brushless DC). Често блокът е само Dr и има отделен преобразувател DC/DC, при което съвкупността Dr+IGBT се нарича изходно стъпало на инвертора. Такъв е модулът NFVA35065L32 на ON Semiconductor, докато STMicroelectronics предлага две ИС – драйвера STGAP1AS от табл. 3 и SCTW100N65G2AG с шест SiC MOSFET. Интерфейсният блок Int е за двупосочна връзка чрез мрежа CAN с други блокове в ЕV.

Блокове за контрол и комуникации. Голямото им разнообразие зависи от модела на ЕV, като появата на нов модел обикновено е свързана с нови блокове или разширяване на възможностите на съществуващите. Затова тук са дадени само няколко примера, първият от които е свързан с токовете на транзисторите в инверторите, достигащи при IGBT до 800 А, значителното им нагряване и съответно необходимостта от контрол на тяхната температура. Такъв се осигурява от серията ADS795x на Texas Instruments. Същата компания произвежда и усилвателя AMC1301-Q1 за измерване на токовете на електродвигателите чрез създаденото от тях напрежение върху резистор.

Повишената сложност на електрониката изисква обмен на данни между блоковете чрез комуникационни мрежи в ЕV. За Local Interconnected Network (LIN) е ИС на приемо-предавател NCV7420 от ON Semiconductor със скорост на обмен 20 kbps, а за масово използваната мрежа CAN е TCAN4550-Q1 от Texas Instruments със скорост 8 Mbps. Системите ADAS също ползват комуникации, за тях например STMicroelectronics предлага ИС на радари, като за локализиране на обекти на близко разстояние е STRADA431 в обхвата 24 GHz, а за далечно разстояние е STRADA770 в обхвата 77 GHz.

Зарядни станции

Наред с термина Charging Station се използва и Electric Vehicle Charging Station. В зависимост от напрежението, подавано на ЕV за зареждане на акумулатора, съществуват две разновидности.

Променливотоковото зареждане (AC Charging) използва директно електрическата мрежа, изисква в ЕV да има споменатия ОВС и не изисква зарядна станция. Доставяната мощност от ОВС е до десетина kW, което обуславя време около 10 часа за пълно зареждане на акумулатора и е подходящо за ползване в жилища (Home Charging) и обществени сгради (Public Charging). За него международно са утвърдени две нива на зареждане (Charging Level), като ниво 1 (Level 1, AC Level 1) е за мрежи 110 V. За еднофазни 220 V мрежи е ниво 2, чиито ОВС трябва да имат постоянен ток на зареждане в границите 16-80 А, но в реално съществуващите той е до 30 А, като те осигуряват мощност на зареждане до 7,2 kW.

Последното ниво 3 е за зарядни станции с постоянно изходно напрежение - най-често между 300 и 600 V, ток на зареждане до 400 А и мощност на зареждане 120 - 240 kW.

Пример за структурата на зарядна станция е даден на фиг. 5. Съществена практическа особеност е наличието на 3 вида куплунги за свързване с ЕV – J1772combo, CHAdeMO и Tesla.