透過功率轉換和電池測試, 推動電動車的未來發展

2023/3/26

透過功率轉換和電池測試, 推動電動車的未來發展




隨著汽車製造商開始投資於各項前瞻技術之際,電動車 (EV) 技術生態系統正蓄勢 待發。消費者對氣候變化的擔憂,以及政府的能源政策和獎勵措施,也將進一步推動 全球電動車領域的技術創新。 根據是德科技於 2021 年進行的一項調查,汽車製造商將集中投資於逆變器設計、 電池效能、充電和電池形成等主要電動車 (EV) 技術(參見圖 1)。

尖端汽車製造商投資的汽車技術

多項電動車創新技術正蓬勃發展,包括可將太陽能和其他分散式能源資源 (DER) 整合入 電網的智慧型逆變器、電動車快速充電設備 (EVSE),以及可確保續航力的高效能電池。 這些技術可以讓電動車變得更普及。

引擎蓋下的奧秘:新趨勢和新的測試挑戰
電動車生態系統由無數的電子裝置和子系統所組成:
• 功率元件
• 功率轉換器
• 鋰離子 (Li-ion) 電池
• EV 電網介面

隨著產品開發週期缩短,加上電源配置不斷推陳出新(參見圖 2),我們需要可監控電動車 產業的新標準,以確保這些子系統的安全性、效能和商業可行性。從產品開發到量產,每一 關都需要經過嚴格的設計驗證和測試。



功率元件 – SiC 和 GaN 的優點與挑戰
型電動車需要更高的功率。為此,設計人員開始採用寬能隙 (WBG) 碳化矽 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 等元件,來轉換電動車中各種元件的功率(參見圖 3)。

寬能隙半導體具有許多優點,例如更快的切換頻率和更高的電壓,並且支援熱操作。然而, 切換損耗會隨著頻率提升而增加,進而降低功率轉換器的效率。除了量測並評估傳導損耗外, 功率轉換器設計人員還必須針對寬能隙功率半導體的動態特性進行分析,以便深入了解其 切換損耗。

雙脈衝測試 (DPT) 是能夠有效確認寬能隙切換損耗的標準動態量測方法。設計人員必須確保他們的產品符合產業 標準,例 如 JEDEC 固 態 技 術 協 會( 前身為聯合電子裝置工程委員會)制定的標準。JEDEC 是微電子產業的領導標準機構,負責制定開放標準並出版 各種刊物。

功率元件的測試需要更大的電壓/電流範圍,另外在測試治具上對於工程人員而言更是一項挑戰不同的元件包裝(Package)需要不同的線材來進行驗證,客製化的需求不言可喻。

客製化測試治具


功率元件測試設備(AC/DC)

熱操作及針座 (Thermo Stream and Probing solution)



功率轉換:效率和安全性是成功的關鍵

不論是純電動車、強油電混合車,還是輕油電混合車,都需要進行大量的功率轉換。圖 4 顯示這些電動車架構的簡化方塊圖。強(或並聯型)油電混合車和純電動車(無內燃引擎), 需透過大型電池為高電壓 (HV) 油電系統供電,進而將電力輸送到電動傳動系統。


變頻器和馬達/發電機的功率範圍,約介於 50 kW 至 180 kW 或更高。如果使用大型鋰離子 電池,則開發這些架構需投入大量的經費。大多數元件都支援雙向電流,亦即電力先從 電池流向逆變器/馬達,以帶動汽車前進。在減速時,會發生再生煞車。此時汽車的動力會 帶動發電機運轉,並透過逆變器將電力送回電池以進行充電。

輕油電混合車使用的馬達/發電機、逆變器、直流對直流轉換器和電池,都是雙向的。逆變 器和馬達並不足以自行驅動油電混合車或電動車,但可在加速時補充引擎動力,並在減速 時為電池充電。這項技術採用 48 V 油電系統,以減少安全問題並降低成本。

即便超出 60 V 安全限制,直流對直流轉換器仍可持續運作,因此在測試轉換器時,設計、技術和操作人員需格外小心。他們必須在整個設計和測試過程中,採取特殊的安全措施 (NFPA 79 工業機械電氣安全標準)。該安全標準要求現場需配置一套「備援系統」,避免因測試系統故障,導致操作人員誤觸高壓電而遭受電擊。這類安全系統通常採客製設計, 部署成本極高。

電池行為模擬解決方案
RP7900 系列再生電源系統
RP7900 系列再生電源系統具高度整合功能, 可減少測試費用。其再生功能可將已消耗的 能源清潔過,並且重新輸送回電網。



N6780 系列電源量測設備
N6781A 和 N6785A 是 2 象限 SMU,適用 於電池耗電分析應用。它們提供先進的功 能,可準確地擷取 20 至 80 W 的可攜式電 池供電裝置的功耗資料。無論您的待測裝 置(DUT)是手機、平板手機、平板電腦 或是心律調整器,N6781A 和 N6785A 提供 的無間斷自動調整量測範圍、可程控的輸 出電阻,以及輔助 DVM,可協助您大幅延 長電池續航力。



功率分析儀PA2201A和PA2203AIntegraVision
IntegraVision 電源分析儀是準確、直覺的功 率量測和觸控式示波器視覺化設計的完美組 合。您只需使用單一儀器,便能查看、量測 您的設計,並驗證其效能。



交流電源AC 6800C/6800B

是德科技提供兩種不同系列的交流電源, 可滿足您從基本到複雜的交流電源測試挑 戰。AC6800 系列基礎型交流電源提供穩 定可靠的電源,有不同機型可供選擇,最 高電源達 4000 VA。6800C 系列高效能型 交流電源提供完整的交流電源測試解決方 案,內建任意波形產生器,可在高達 1750 VA 功率位準下模擬各種類型的功率波形。 這兩個系列也可直接產生直流電源,或是 單獨作為交流波形的直流偏移。

各式電池 – 電動交通的核心
續航力是消費者對電動車最放心不下的一點,他們擔心汽車會在無預警情況下,突然耗盡電池電量。電池技術的進步可以消除這個困擾。

過去 10 多年間,電動車電池的續航力一直都很有限,每次充飽電後,只能行駛 100 公里,而且馬力明顯不足。現在,中等價位的電動車,每次充飽電後可行駛 400 多公里。 電池供應鏈中的電動車製造商和電池供應商,正努力不懈地尋找可有效測試電池效能的方法。例如,他們正在研究會侵蝕整體電池性能的電池自放電現象。

電池自放電
電池自放電會減少電池的儲存電荷,而電極之間沒有任何連接。此現象會縮短電池的保存 期限,並導致電池的初始電量不足。

為了檢測鋰離子電池的自放電是否超出正常值,開發人員和製造商需連續數週或更長時間 地量測電池的開路電壓 (OCV),以進行可靠的驗證。如此將大幅延長開發時間,導致新設 計遲遲無法上市,因而錯失良機。如果您必須重複進行自放電測試,問題會變得更棘手。 在製造過程中,長時間存放大量電池以進行自放電測試,將帶來成本、物流和安全問題。

量測電池的自放電電流,是另一種可直接判斷電池自放電率的方法。相較於傳統的 OCV 方法,您可在很短時間內,找出並隔離自放電率過高的電池。如此可減少存放和測試大量 電池的相關費用、困難度和潛在危險。

自放電量測解決方案
為了滿足電池開發商和製造商的需求,是德科技推出了革命性的鋰離子電池自放電量測 解決方案,它可顯著縮短電池自放電電流的量測時間(參見圖 5)。針對 18650 或 21700 等 體積較小的圓柱形電池進行測試時,您可在短短 30 分鐘至 2 小時內(視電池特性而定), 快速量測穩定的自放電電流。如果是大容量的軟包裝電池(例如 10-60 Ah),量測作業也 只 需 1至4 個小時即可。

相較於需苦等電池 OCV 改變到足以確定電池品質的方法,該解決方案可節省數週或數個 月的時間。它還有助於縮短測試週期與產品上市時間。一旦研究和開發人員能充分掌握電池在不同條件下的效能,離保證電動車續航力的日子便 越來越近。

圖5 :是德科技恆電位電池自放電量測解決方案可縮短研究鋰離子電池自放電現象所需的時間。


將鋰離子電池組裝成適用於電動車的模組和電池組時,廠商須確保電池的組裝和互連符合規格。為了驗證單顆電池、電池組和電池模組的效能,您需執行下列測試:
• 紀錄不同的溫度,藉以研究電池的電熱交互影響效應。
• 檢查機械連接和模組效能。
• 與汽車的電池管理系統 (BMS) 進行通訊。

永續能源生態系統
隨著電動車生態系統持續蓬勃發展,沒有任何一種測試技術可完全克服各種應用、環境 和要求所帶來的新興設計和驗證挑戰。更新、更好的電動傳動系統即將問世,以滿足 消費者需求和法規標準,進而在降低碳排放量的情況下,延長行駛距離。

業者將不停歇地推動創新,以便透過更出色的電動車技術,來支援永續能源生態系統。 是德科技提供兼具深度與廣度的測試和量測解決方案,讓您能游刃有餘地排除電動車 生態系統中的獨特設計和測試挑戰。

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技術資料來源 : 引用是德科技電動車白皮書
產品來源 : 是德科技 ,克達科技

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