快速發展的汽車產業為汽車電子產品提供了廣闊的應用市場,中國汽車電子市場也跟隨汽車產業一起進入快速發展期。亞洲最大規模的汽車技術展Automotive World將于2016年8月30日-9月1日首次進駐中國,從設計到制造高質量呈現汽車電子的前沿技術與應用。近年來,PHEV和HEV的在新能源汽車市場的占有率一直居高不下,這就意味著對發電技術以及電池的設計要求也越來越高,在開展前就讓我們先來分析下電動汽車的設計環境以及汽車電池設計所面臨的挑戰。
電動交通工具泛指使用高壓電池和電動馬達進行推進的車輛。與僅用內燃機(ICE)提供動力的汽車相比,這種技術的優勢在于電動馬達在產生扭矩(特別是在加速過程中)時要比ICE高效得多。另外,電動汽車可以在行車時回收動能,而其它汽車只能以熱量的形式損耗掉。
正如亨利福特于1923年所說:“即使僅節省幾磅的汽車重量……也意味著它們能開得更快,并且消耗更少的燃料。”這個永恒真理正是鋰電池化學產業憑借更高比能(焦耳/千克)引領世界向下一代更具重量效益、插電式電動汽車發展的理由。
但我們對筆記本電腦的鋰離子電池爆炸案記憶猶新,當再度考慮到電動汽車電池更大的總能量時,該事件更是被進一步放大。這方面的顧慮及其它因素促進了高度智能的電池管理系統(BMS)的發展。這種電池管理系統需要與大功率電池充電系統通訊來滿足諸如安全、成本、電池壽命、汽車行程(又名里程焦慮)和整夜充電等要求——為了達到更低的碳排放和更高的燃油經濟性需要做出的所有痛苦讓步。
隨著汽車OEM廠商對下一代電池管理和充電系統要求的確 定,半導體公司正在推進預期能夠滿足這些要求的產品開發。本文將要討論與插電式混合動力汽車(PHEV)中的大功率(3kW)、脫機式電池充電器的開發相關的設計要求、架構和挑戰,并展示為何要為這類應用建立數字電源架構。
電動汽車設計環境
混合動力汽車(HEV)與新興的PHEV汽車不同,它們使用較低容量的電池和電動馬達輔助主要ICE加速。這種混合扭矩加上再生制動能力可進一步改善燃油利用率,并減少碳排放。
然而,減少排放還不能完全滿足針對汽車零排放的最新法律要求。因此,作為新興汽車,PHEV的動力完全來自于潔凈電網能量。
所謂的串聯電動汽車與并聯HEV不同,不從兩種來源混合扭矩。所有推進扭矩來自更大的電動馬達,一般大于80kW。在某些情況下會增加一個性能經過優化 的小型里程延伸ICE,用于解決純電動汽車電池的里程限制問題。ICE用作發電機給電動馬達供電,并給電池充電。不管是在PHEV還是HEV中,增加高壓電池和電動馬達從根本上改變了汽車的電氣、機械和安全系統。因此最終需要復雜和高度智能的功率電子和電池管理系統。
電池設計挑戰
過去100年內,工程師已經將汽油推進系統改進得十分完善。現在,OEM及其供貨商一改過去的方式,開始組成聯盟,突破常規,集中力量優化電動推進系統。
但電動推進的高成本表現在產品開發和組件復雜度方面,需要用復雜和容錯性的汽車智能和功率電子系統連續管理數十千瓦的功率。