電動車應用的設計和測試解決方案

2022/10/9

電動車應用之設計和測試解決方案
電動車(electro mobility 或 e-mobility)是全球汽車產業當前最熱門的關鍵字之一。它涵蓋許多領域的技術和應用。設計人員藉由打造電動式的動力傳動系統以降低碳排放,減少對化石燃料的依賴。

同時,透過提升電池續航力、增強電動傳動系統效能、廣設電池充電站,且搭載更完善的電力轉換技術,實現全面的電動汽車生態系統,並擴大油電混合和電動汽車的巡航範圍。而隨著消費者信心增加,最終將能帶動車輛電動化市場穩定成長。根據美國市調公司 Grand View Research 2018 年的研究報告顯示,預計到 2025 年,全球車輛電動化市場將有望超過 1250 億美元。

本應用說明即探究電動車領域新的設計與測試挑戰和解決方案,以加快這些顛覆性技術的上市步伐。



汽車電源轉換

油電混合車(HEV)和純電動汽車(EV)技術可顯著提高汽車的燃料效率,而電力傳動系統是這些技術的核心。然而,想要靠裝置和元件製造商提供的資訊來設計可靠、高效率的電路,困難度相當高。
是德科技提供業界前所未有的元件級設計和測試驗證解決方案,適用從研發到製造中的實際功能測試階段。


汽車電源裝置測試
情境:
隨著更嚴格的控制迴路穩定性與更高切換速度的要求,汽車電源轉換設計變得越來越複雜。採用寬能隙(WBG)元件時,高速上升和下降緣的轉換率也需要用到更複雜的阻抗分析。針對 WBG 元件以傳統的半導體時域分析工具,和簡單的集總模型進行電路模擬,並無法獲得可靠、且接近真實情況的結果。

雖然 WBG 切換頻率可能只有幾百 kHz,但設計人員可能沒有察覺 WBG 元件的信號緣(開/關)切換速度高出傳統矽元件五倍以上,並致使其頻率分量高達 100 MHz 左右。傳統的半導體模型未考慮到元件的寄生效應,這些效應會在高頻發生問題,因而無法準確預測影響電路安全性和可靠性的重要情況。您需要快速可靠的工具對 WBG 元件進行評估、分析和建模,以滿足您對於新一代汽車電源轉換器的設計要求。


[解決方案]
PD1000A 適用於先進建模的功率元件量測系統
Keysight PD1000A 適用於先進建模的功率元件量測系統,藉由建立真實世界的功率元件模型,獲得可信賴的模擬結果,進而縮短設計週期。
優勢
• 讓您能利用實際量測資料輕易地建立任何 WBG 元件模型
• 是德科技獨有的尖端 WBG 元件建模,可讓您獲致準確的 EMI、突波、過擊、切換時間等模擬結果
• 在設計完成之前,可以在模擬中輕鬆識別產生電磁雜訊的原因


B1505A 功率元件分析儀/曲線追蹤儀,適用於電路設計
Keysight B1505A 功率元件分析儀/曲線追蹤儀是一款靈活的單機式解決方案,具備下一代曲線追蹤功能,方便您以高達 10 kV 的高電壓和 1500 A 的大電流,準確評估並量測功率元件。
優勢
• 可處理所有類型的功率元件評估,具備寬廣的電流與電壓範圍。
• 支援 10 μs 快速脈衝量測功能、μΩ 級導通電阻量測解析度,以及 sub-pA 級電流量測功能。
• 每一個通道配備兩個獨立的類比數位(A/D)轉換器,支援 2 μs 的取樣率,以便準確監測可能影響元件行為的重要時序。


B1506A 功率元件分析儀/曲線追蹤儀,適用於電路設計
Keysight B1506A 功率元件分析儀/曲線追蹤儀適用於電路設計。這套完整的解決方案可協助電源電路設計工程師選擇適合其應用的功率元件,以便將其功率電子產品的價值最大化。
優勢
• 可在各種不同的操作條件下量測所有相關裝置和元件的參數,包括 IV 參數,例如崩潰電壓和導通電阻,以及三端 FET 電容、閘極電阻、閘極電荷和功率損耗。
• 可在寬廣的電壓和電流範圍(3 kV 和 1500 A)、溫度量測範圍(-50°C 至 +250°C)等實際電路操作條件下,辨識不合格的元件。
• 獨特的插入式測試夾具插座轉接器消除了纜線連接和其他人為疏失。


其他支援的解決方案
Keysight B1507A 功率元件分析儀/曲線追蹤儀

一款支援從最低次微微安培(sub-picoamp)到最高 10 kV 電壓和 1500 A 電流之高功率元件特性分析的單機式解決方案。這些功能可用來評估 IGBT 等新型功率元件,以及氮化鎵(GaN)和碳化矽(SiC)等新材料。

B1500A 元件參數分析儀
提供包羅萬象的量測功能,支援 IV/CV 特性分析與適用於半導體特性分析的超快速暫態脈衝 IV 量測,可因應從基本到最尖端應用的需求。

B2900A 系列精密型電源量測設備(SMU) 【查看產品資訊】
具有寬廣的電壓(210 V)和電流(3 A 直流與 10.5 A 脈衝)的供電能力、優異的準確度(支援 10 fA/100 nV 的最小電源與量測解析度)。支援傳統的 SMU SCPI 指令集,可輕鬆實現測試程式碼的轉移,以將 SMU 整合入產品測試系統。

Keysight E4980A 精準型 LCR 錶【查看產品資訊】
E4980A 適於量測功率元件的電感、電容和電阻,即使在低阻抗與高阻抗的範圍內,這款儀器也能提供快速的量測速度與極佳的效能。

先進設計系統(ADS)
現代切換式轉換器因採用 SiC 和 GaN 電晶體,其信號緣速度很快,但同時也對 EDA 工具提出了新要求。使用傳統 SPICE 建模是無法勝任的,因為它僅適用於時域分析和集總元件。是德科技的先進設計系統(ADS)透過其強大的電路模擬功能,在電路設計驗證階段中為 HEV/EV 汽車電子工程師提供支援。

汽車功率分析和測試
情境:
車輛電動化市場的問世,新增了高電壓、高功率電池的使用,然而傳統的車用電池僅為12 V,這使得汽車製造商面臨了新的挑戰。而油電混合車和全電動車則使用 300 V 和更高電壓的電池。因此,對於汽車內部各式各樣子系統,工程師均需要進行汽車功率分析和測試。


[解決方案]
PA2200 系列 IntegraVision 交流/直流電源分析儀【查看產品資訊】
Keysight PA2200 系列 IntegraVision 功率分析儀專為今日的 EV/HEV/PHEV 動力系統測試挑戰而設計。其強大功能可支援包羅萬象的測試,包含電池和電池管理、傳動馬達控制系統、電動馬達和直流對直流轉換器等
優勢
• 具備觸控式示波器的視覺化特性
• 可提供準確(0.05% 基本準確度)且高效率的量測結果
• 支援動態功率波形的擷取和量測


N6705C 直流電源分析儀【查看產品資訊】
馬達和電磁線圈會導致汽車電源系統出現電壓暫態和壓差。車用電子裝置需要足夠的功率暫態抗擾度,因此工程師需對 ECU、機電元件、車載娛樂系統和車載資訊與通訊系統等,進行全面的測試,以確保這些關鍵裝置的正常運作。Keysight N6705C 直流電源分析儀可在您的工作台上執行各種直流暫態測試。
優勢
• 簡單易用的研發工具,可對待測物輸入直流電壓和電流並進行量測
• 整合具備多達四種(數位萬用電錶、示波器、任意波形產生器和資料記錄器功能)先進功能的電源供應器
• 可直接透過前面板使用所有功能,或可搭配 14585A 控制與分析軟體獲得更加強大的控制和分析功能


N6900 和 N7900 系列先進電源系統(APS)【查看產品資訊】
Keysight N6900 和 N7900 先進電源系統用於直流電源和暫態測試,可提供高達 2000 W或高達 200 A 的激發,以因應最嚴苛的高功率測試應用要求。Keysight APS 的核心技術均採用是德科技獨家的 VersaPower 架構,旨在提供具備快速準確的整合式電源系統,來協助您克服各種嚴苛的電源測試挑戰。
優勢 • 提供極快的上調和下調程控速度
• 您可產生暫態、模擬各種引擎曲軸,以及 ISO 16750-2、ISO 7637-2、LV-124 和 LV-148 標準所要求的其他暫態
• 您可使用 Keysight 14585A 控制與分析軟體定義並輕鬆修改任意波形


其他支援的解決方案
切換特性是車用元件級測試的重要環節,是德科技具有示波器和脈衝產生器,可協助評估 這些參數。
Keysight InfiniiVision 4000 X 系列示波器 以合理的成本提供充足的頻寬和解析度,如有需要可搭配使用電流探棒。而 Keysight 81110A 脈衝產生器還提供快速且充足的電壓脈衝,以便分析汽車元件的特性。


直流-直流電源轉換
情境:
大多數的油電混合車和純電動車(HEV/EV)架構中,其馬達/發電機、電源逆變器和電池元件多採用雙向功率流設計。雙向功率流需採用可同時對功率轉換器執行電力輸出和汲入的測試解決方案。傳統的方法是以並聯方式連接電源供應器以及電子負載。然而,外部電路和繁複的程控設計通常不允許在電力輸出和汲入之間進行平穩的信號轉換,並導致儀器所模擬的操作條件不準確。此外,EV 和 HEV 使用 300 V 或更高的高電壓、高功率電池,相對於傳統的 12 V 車用電池大幅躍升。這些高電壓帶來的額外成本和風險亟須解決。

[解決方案]
EV1003A 適用於 HEV/EV 和 HEMS 的功率轉換器測試解決方案
Keysight EV1003A 是專為解決上述安全、法規和環境問題而設計的。這是業界僅有的現成可用再生電源系統,具高度整合的安全特性,可保護您的電子裝置和人身安全。
優勢
• 獲得輸出(電源供應器)和汲入(電子負載)功能,功率高達 950 V、40 A 和 10 kW
• 具備高度整合的安全功能,可保護您的電子裝置和人身安全
• 電源再生功能可潔淨已經耗用過的能源,然後將它輸送回電網


Keysight TS-8989 PXI 功能測試系統
直流對直流轉換器的功能測試通常會需要一套模擬、擬真和量測組合:
• 電源輸入模擬
• 電子裝置負載模擬
• ECU 的電源效率和穩定性等量測

是德科技具備有一系列現成的測試儀器,專門為汽車的電子控制單元(ECU)直流對直流轉換器測試而設計。這幾款儀器配置相當簡易,目的是為了加快您的測試開發時間。
優勢
• 效能強大的模組化 PXI 量測、切換和負載系統,有助於製造商透過簡易整合實現標準化解決方案平台
• 搭配的 Keysight TestExec SL 軟體,專為汽車電子的功能測試而設計,有助於功能測試的開發和執行
• 小尺寸節省了大量的機架空間,製造商可節省設施佔地面積以進行生產線擴建


燃料電池和普通電池的效能

電動車(E-mobility)對於燃料電池和普通電池的效能要求均顯著提升,其共同目標是必須具備優良的儲能特性、更長的電池壽命,及具備增強的效能和範圍。這些元件需具備高品質,並能滿足功率和能量密度、安全性和耐用性的要求,並且必須最佳化其成本以在市場競爭中生存。為此,工程師得在各方面進行完整測試,以確保電池能順利進行生產。


電池自放電測試
情境:
現在鋰離子電池自放電的量測方式通常是量測電池的開路電壓(OCV)隨時間變化的程度,將其作為充電狀態(SoC)因自放電而發生變化的程度指標。由於大多數鋰離子電池在電池放電時,開路電壓變化非常小,因此,觀察電池充電狀態的變化需要很多時間,可能需要幾個星期到幾個月。為此,電池製造商在進行產品批量測試時,電池庫存將會衍生可觀的倉庫成本,以及可能的安全性和火災風險。

[解決方案]
電池自放電量測系統
是德科技 BT2191A 和 BT2152A 自放電量測解決方案,可革命性地縮短研發和製造上所需的量測時間,同時能夠為電池效能提供高效率測試。對於圓柱形的 18650 或 21700 電池等小型電池,您可以根據電池特性在 30 分鐘至 2 小時之間快速地量測到穩定的自放電電流。若為大容量的軟包裝電池(例如 10-60 Ah),整個過程也只需 1 至 4 個小時即可完成。
優勢
• 可在短短 1-2 小時內直接量測自放電電流
• 在製造階段,幾分鐘內就能快速分辨出電池自放電效能的優劣顯著減少在製品(workin-process)庫存
• 在設計和評估電池時,可迅速量測並分析自放電電流,縮短設計週期時間並且更快將產品推出問市


適用於電池成型的充放電平台
情境:
鋰離子電池成型是製造過程中的關鍵步驟,用於將新組裝的電池轉變成能夠儲存電荷的電池。在成型過程之前,鋰離子電池僅僅是數個元件的組裝,主要有陽極、陰極、隔板、端子、電解質和將它們固定在一起的包裝。接著,電池成型期間,透過重複的充電、靜止、放電、靜止循環,便可讓鋰電池能進行電荷儲存。不過,成型過程與設備上的微小差異,可能會顯著影響(強化或是損壞)電池的效能和品質。

[解決方案]
BT2200 充放電平台
Keysight BT2200 充放電平台經濟有效,而且很容易針對各種鋰離子電池進行再配置。模組 化配置支援要求 6 A 到 200 A 最大電流範圍的電池,每個機箱可容納 8 至 256 顆電池或使用者通道。
優勢
• 提供 6 A 到 200 A,8 到 256 通道的模組化配置。每個機箱最多可配置 8 個模組,每個模組可配置 32 個通道。每個實體通道
• ± 6.25 A,可並聯多達 32 個通道,以便將每個使用者通道電流範圍提高至 ± 200 A,取樣間隔為 1 秒
• 電壓範圍:充電 0-6 V;放電 1.2-6 V @ 0 A、1.55-6 V @ 50% 最大電流、1.9-4.73 V @最大電流,取樣間隔為 1 秒。


Scienlab 能源儲存裝置測試系統
Scienlab 現納入是德科技旗下,提供兼具深度和廣度的能源儲存解決方案。透過採用領先業界的軟體 EnergyStorageDiscover(ESD),Scienlab 可依客戶提供特定的效能和功能,例如:
• 老化和環境測試,以及標準化和相符性測試 (如 ISO,DIN EN,SAE)均能方便執行
• 各色各樣電池模組和電池組可供選擇,單顆電池為 ±150 μA,電池組為 ±600 A(切換至並聯時為 ±2400 A)
優勢
• 所有 Scienlab 電池測試和成型系統都具有高度再生能力,可將 90% 以上的能量反饋到主系統
• 在配備 100 個測試通道的 70 Ah 電池上進行標準 VDA 循環測試,相較於非再生系統每年可省下超過 70000 美元
• 提供高度靈活配置,電池模組可用來作電池測試系統,而電池組可用來作模組測試系統。

充電技術

充電基礎設施與 HEV 或 EV 之間的充電過程是一個複雜的生態系統,中間牽涉的利害關係極多,例如汽車製造商和供應商、認證機構、充電基礎設施(如壁掛式充電站或充電樁)的製造商和營運商及工場等。

充電基礎設施和充電元件
情境:
電動車輛供電設備(EVSE)的互操作性,對於確保服務供應商的無縫營運和終端使用者的穩定使用非常重要。充電基礎設施(EVSE)必須能滿足多方面的要求才能推出問市。除了確保通訊方面沒有問題外,電力是首要考慮因素,其技術挑戰包括與不同 HEV 和 EV之間的相容性、充電介面和電網設計,還需符合各種不同的國際標準。此外,您必須全面針對存在這個複雜生態系統中的大量充電元件進行測試。這些元件包括了充電電纜、車載充電器和/或逆變器,HEV/EV 電池和與其有關的電池管理系統。

[解決方案]
Scienlab ChargingDiscoverySystem(CDS)
ChargingDiscoverySystem(CDS)能模擬 HEV/EV 或 EVSE 之間的充電通訊,並同時可 對各種電氣參數進行量測與符合產業標準的相符性測試。
優勢
• 支援所有現有的通訊方法,包括符合 IEC 61851-1 的基本通訊(PWM)和符合 DINSPEC 70121、ISO 15118,(PLC),CHAdeMO 和 GB/T(CAN)的高階通訊
• 可有效測試充電站、壁掛式充電、充電器、充電控制器、電池管理系統、電池及其相關週邊裝置
• 您還可將 CDS 連接至電源,作為可自由程控的交流或直流充電站使用

能源生態系統

電動車生態系統的上游是價值 10 億美金的問題:如何最大化利用太陽能為這個能源飢餓的世界提供能源?我們已簡單說明了下游能源生態系統應用的全新技術挑戰和可用解決方案,從裝置內部的電源轉換到儲能和充電技術等。現在我們要來瞧瞧太陽能領域備受期待的潛在機會、挑戰和解決方案。

太陽能光電轉換器測試
情境:
太陽能發電產業的爆炸性成長,使得太陽能轉換器測試和量測解決方案的需求節節攀升。為了使太陽能發電成本降至與市場電價相當,達成「市電平價」(Grid Parity)而具有競爭力,其發電的效能和轉換效率已變得越來越重要。只要小幅提高發電率,就能讓太陽能發電的獲利能力大幅上揚。

[解決方案]
N8900APV 光伏陣列模擬器解決方案,高達 1500 V【查看產品資訊】
Keysight N8900APV 系列光伏陣列模擬器和 SAS 控制軟體可協助設計人員快速、輕鬆地開發並驗證轉換器的最大功率點追蹤(MPPT)演算法,以最佳化電路效能,並且只需按下按鍵便可輕鬆執行 EN50530 歐洲標準的相符性測試。
優勢
• 可自動調整範圍、可程控的直流電源,可模擬不同環境條件下(溫度、輻照度、老化、電池技術等)光伏陣列的輸出特性
• 快速、全面地測試轉換器最大功率點追蹤(MPPT)演算法和轉換器效率
• 可快速產生太陽能/光伏 I-V 曲線並將它載入儀器,以便洞察您的 MPPT 演算法



太陽能電池測試
情境:
想要達成更高的太陽能電池效率並降低成本的目標,需要準確、穩定一致、快速而可靠的測試結果。投入研發與設計工作,打造具備出色效能、高度可製造性的太陽能電池、組件與電池陣列,需要仰賴高效能的測試設備。要讓發電量整體提升,除了確保您的太陽能轉換器能轉換出太陽能電池陣列的最大可用功率之外,每一個太陽能電池特性都相當重要。


[解決方案]
U5855A TrueIR 熱影像儀,350°C【查看產品資訊】

Keysight U5855A 熱影像儀可幫助您輕鬆偵測異常位置,尤其是大型太陽能模組上的太陽能電池矩陣異常。識別出異常位置後,可將熱電耦感測器置於受影響的位置,進行更準確的溫度量測,以確定導致異常的成因。
優勢
• 非常適合用於預測性維修,可提供從熱點偵測到熱剖析(thermal profiling)等多樣化功能
• 可提供 320x240 的 Fine Resolution 功能,並配備圖像記錄和溫度趨勢分析功能,您可用比市面上典型的 320x240 熱影像儀低很多的價格,獲得更精密的解析度。
• 可自行設定快速存取按鈕,方便您單手變更設定。

Keysight 34980A 多功能切換/量測裝置【查看產品資訊】

Keysight 34980A 是靈活又可靠的切換與資料擷取平台,配有超過 20 個模組,以便於建立客製的測試平台。它的售價比市面上同級的 VXI 或 PXI 模組解決方案低了 40%。Keysight 34980A 的各項功能,使其成為太陽能電池測試系統的理想選擇。
優勢
• 使用熱電耦感測器、電阻溫度偵測器(RTD)或熱敏電阻提供溫度量測功能
• 單一主機中具備多達 560 個 2 線式多工器通道,或 4096 個矩陣交叉點
• 利用選配的內建 6½ 位數 DMM,以每秒超過 3000 筆讀值的速度進行量測

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