Introdução
Nos últimos anos, novos veículos energéticos fizeram um grande progresso nos principais mercados de automóveis principais em todo o mundo. De acordo com dados da Associação Europeia de Fabricantes de Automóveis Acea, o volume cumulativo de registro de veículos de energia novo (Bev+ PHEV) nos países da UE de janeiro a outubro de 2023foi de cerca de 1,94 milhão. unidades, um aumento ano a ano de cerca de 32%e uma taxa de penetração superior a 20%; De acordo com os dados divulgados pela Associação de Carros de Passageiros da China, as novas vendas de veículos de energia da China no mesmo período atingiram 5,962 milhões de unidades, um aumento de 34,7%ano a ano e uma taxa de penetração de 34,5%.
Com a expansão do mercado e a maturidade da cadeia industrial relevante, os novos veículos energéticos mudaram há muito tempo de serem orientados por políticas para serem orientadas por produtos. A partir dos novos produtos de veículos elétricos Energy nos últimos anos, também podemos ver que houve grandes melhorias em termos de direção autônoma, cockpit inteligente, faixa de cruzeiro e desempenho do sistema de acionamento elétrico.
O inversor principal da unidade é um componente essencial para controlar o motor principal. Ele converte a energia CC da bateria na potência CA do motor de acionamento. A eficiência da conversão determina amplamente o desempenho do consumo de energia do veículo. Ao mesmo tempo, o pico de potência do inversor principal combinado com o motor de acionamento principal de alto desempenho também determina o desempenho geral do veículo.
O que é um inversor de energia do veículo elétrico?
Um inversor de energia do carro elétrico é um dispositivo que converte a corrente direta (como gerado por baterias e garrafas de armazenamento) em corrente alternada (como 220V, onda senoidal de 50Hz) com frequência ajustável. Existem dois tipos de soquetes de energia usados na vida: 220V/110V. Embora não tenhamos como armazenar corrente alternada, podemos armazenar corrente direta nas baterias e depois usar inversores para converter CA em DC. Devido à alta tensão e alta potência de nova energia energéticaMotores elétricos, Motores CA que não requerem comutadores de escova são usados em consideração de maior eficiência e vida útil mais longa. Um campo magnético rotativo pode ser gerado no estator através da corrente alternada, livrando -se das restrições do comutador da escova e acionando o rotor para atingir a velocidade e o torque exigidos sob a ação do campo magnético rotativo. O inversor do motor de energia, um dispositivo de conversão de energia, converte a corrente direta de alta tensão da bateria de energia na corrente alternada exigida pelo motor de energia.
3. Como o inversor funciona em um carro elétrico?
Princípio de trabalho do inversor de energia do carro elétrico
Ao mesmo tempo, o campo magnético rotativo gerado pelo inversor do motor de energia através da corrente alternada deve ser sincronizado com precisão com o campo magnético permanente do rotor ou controlravelmente assíncrono com o campo magnético induzido do rotor. O sensor de posição do rotor é o núcleo da operação confiável do inversor do motor de energia. O sensor de posição do rotor é baseado no princípio de um transformador rotativo e consiste em bobinas de indução múltiplas fixadas no estator e em um disco de came de metal fixado no rotor. Cada bobina de indução tem um enrolamento de excitação e dois enrolamentos secundários.
4. Funções principais do inversor de energia do veículo elétrico
O inversor possui três funções principais no carro elétrico:
1. Converta a energia CC da bateria em energia CA trifásica para acionar o motor.
2. Altere o torque e a velocidade do motor alterando a tensão e a frequência através do inversor.
3. Converta a energia mecânica em energia elétrica para carregar a bateria durante a recuperação de energia.
Motores de indução CA em veículos elétricos
Em veículos elétricos híbridos e puros, os inversores são comumente usados, como visto em modelos como Tesla, Toyota Corolla Hybrid e BAIC EV160. Os motores elétricos usados em veículos elétricos são acionados pela energia CA. Ao alterar a frequência e a amplitude da potência CA, a velocidade e a potência do motor podem ser ajustadas. Quanto maior a frequência da tensão de acionamento, maior a velocidade do motor e maior a amplitude da tensão de acionamento, mais forte a potência do motor. No entanto, não há como armazenar energia CA. As baterias dos veículos novos energéticos armazenam energia DC, que não podem ser usados diretamente para dirigir motores CA. Portanto, é necessário um conversor para converter a energia CC na bateria do carro em energia CA que pode ser usada pelo motor.
Existem dois pontos principais no design da fonte de alimentação do inversor do veículo. Um é aumentar a tensão da bateria para 220V, e o outro é que a frequência deve ser de 50Hz. Para aumentar a tensão de 12V para 220V, é usado um circuito de helicóptero de impulso. O circuito de helicóptero Boost é usado para conseguir isso. Como a tensão de saída é muito maior que a tensão de entrada, o fator de impulso é de cerca de 18. A partir do princípio de trabalho do circuito de impulso, é fácil saber que o ciclo de trabalho é de cerca de 0,95. É teoricamente viável, mas o circuito de impulso é difícil de implementar na prática. Portanto, o impulso deve ser alcançado com a ajuda de um transformador. Se o transformador usar um transformador de frequência industrial, o volume e o peso serão muito maiores que os de um transformador de alta frequência quando a potência de saída for a mesma, o que é inaceitável para as pessoas. Portanto, são utilizados um transformador de alta frequência e um circuito de conversão de alta frequência. Com a ajuda de um transformador de alta frequência, a tensão de 12V é convertida em 220V e a frequência de saída também deve ter alta frequência. Muitos dispositivos elétricos que usam eletricidade de rede 220V não podem ser usados diretamente com 220V de alta frequência. É necessária uma conversão adicional para converter a potência CC de alta frequência em 50Hz CA. A partir da estrutura geral, o circuito projetado possui duas partes: a primeira parte converte 12V DC em CA de alta frequência de 220V com a ajuda de um transformador de alta frequência e o circuito de conversão correspondente, e a segunda parte converte a alta frequência 220V AC em 50Hz 220V AC.
5. Benefícios do inversor de energia do carro elétrico
O inversor em um veículo elétrico puro está localizado no controlador do motor (MCU). Além do inversor, também há um controlador combinado no MCU. O MCU é o centro de controle de todo o sistema de energia. O controlador recebe o sinal de demanda do motor de acionamento. Quando o veículo freia ou acelera, o controlador controla a frequência do inversor para fazer o carro se mover. O inversor recebe a potência CC pela bateria de energia, a inverte em energia CA trifásica para fornecê-la ao motor para operação e desempenha o papel de frenagem e recuperação de energia elétrica durante o processo de frenagem do veículo elétrico. Conforme mostrado na figura abaixo, o inversor é composto por 6 IGBTs e o arranjo do modelo X é SA-SC. Cada linha de saída de fase (IA, IB e IC) do motor e as linhas CC positivas e negativas são conectadas a um IGBT. O elemento de comutação IGBT no inversor não pode funcionar quando sua temperatura exceder 150 graus, de modo que as medidas de resfriamento de ar ou resfriamento de água devem ser usadas. Quando o carro relata uma falha no sistema do motor de acionamento, como superaquecimento do motor de acionamento, superaquecimento da temperatura do líquido de arrefecimento do motor da unidade, etc., precisamos usar um instrumento de diagnóstico para ler o significado específico do código de falha, porque a falha Exibido no painel não é muito específico.
6. Além dos veículos: outras aplicações
A aplicação de inversores é muito extensa, cobrindo vários campos e cenários de aplicação específicos. A seguir, algumas das principais áreas de aplicação do inversor: sistema de geração de energia fotovoltaica, geração de energia solar, geração de energia eólica, sistema UPS, campo de aviação etc.
7. Tendências emergentes na tecnologia de inversor de energia elétrica de veículos
O inversor principal (principal) em um veículo elétrico converte a tensão da bateria DC em tensão CA, atendendo assim aos requisitos de tensão CA do motor de tração elétrica, permitindo que ele acione o veículo sem problemas. As últimas tendências no design do inversor principal incluem:
Maior potência: quanto maior a potência do inversor, mais rápido o veículo acelera e mais receptiva é para o motorista.
Maximize a eficiência: Minimize a quantidade de eletricidade consumida pelo inversor para aumentar a energia disponível para dirigir o veículo.
Aumento da tensão: até recentemente, as baterias de 400V têm sido a especificação mais comum em veículos elétricos, mas a indústria automotiva está se movendo em direção a 800V para reduzir a corrente, a espessura e o peso do cabo. Para fazer isso, o principal inversor de unidade em veículos elétricos deve ser capaz de lidar com essa tensão mais alta e usar componentes adequados.
Reduza o peso e o tamanho: o SIC possui uma densidade de potência mais alta (KW/kg) do que os IGBTs à base de silício. A maior densidade de potência ajuda a reduzir o tamanho do sistema (KW/L), reduzindo o peso do inversor da unidade principal enquanto reduz a carga no motor. O peso reduzido do veículo ajuda a estender a milhagem do veículo com a mesma bateria, reduzindo o tamanho do trem de força e aumenta o espaço disponível para passageiros e o porta -malas.
Comparado com o silício, o carboneto de silício tem várias vantagens em termos de propriedades materiais, tornando -o uma escolha melhor para o design principal do inversor de acionamento. A primeira é a sua dureza física, que atinge 9,5 MOHS dureza, enquanto o silicone é de 6,5 MOHS dureza, de modo que o carboneto de silício é mais adequado para sinterização de alta pressão e tem maior integridade mecânica. Além disso, a condutividade térmica do carboneto de silício (4,9W/CM.K) é mais de quatro vezes o de silício (1,15 w/cm.k), o que significa que pode transferir o calor de maneira mais eficaz e operar de maneira confiável a temperaturas mais altas. A tensão de ruptura do carboneto de silício (2500kV/cm) é mais de 8 vezes a de silício (300kV/cm) e possui uma ampla propriedade de bandGAP que pode ligar e desligar, tornando -a uma escolha melhor para a tensão cada vez mais alta (800V) Arquitetura de veículos elétricos. Ao mesmo tempo, a tensão de banda mais ampla significa que ela tem perdas mais baixas que o silício. O SIC-MOSFET não possui corrente de cauda, alta mobilidade da transportadora e reduz as perdas de comutação de dispositivos. O módulo SI-IGBT integra um diodo de recuperação rápido (FRD), que terá a corrente de recuperação e a corrente da cauda reversa quando desligado, resultando em velocidade limitada de comutação e grandes perdas de desligamento. O material SiC possui uma densidade de corrente mais alta e um tamanho de pacote menor no mesmo nível de potência.
8. Desafios no desenvolvimento do inversor de energia elétrica
Em um inversor de tração, o microcontrolador (MCU) é o cérebro do sistema, executando controle motor, tensão de amostragem e corrente através de conversores analógicos para digitais (ADCs), calculando algoritmos de controle orientado para o campo (FOC) usando núcleos magnéticos e transistores de efeito de campo de condução (FETS) (FETS) Usando sinais de modulação de largura de pulso (PWM).
Para MCU, a transição para os inversores de tração de 800V traz três desafios: 1. Requisitos de desempenho de controle em tempo real com menor latência 2. Requisitos de segurança funcionais aumentados 3. Precisa responder rapidamente às falhas do sistema
Mesmo em ambientes de alta temperatura, nossa solução ainda é eficaz, o que torna possível a aplicação de inversores de pequena escala. Atualmente, no design de veículos elétricos e híbridos, os fabricantes resolveram efetivamente problemas como resistência à energia, energia, confiabilidade e custo-efetividade com seu conhecimento e experiência profissionais e têm sido amplamente reconhecidos no setor.
Discutimos com vários engenheiros seniores de OEMs no campo do desenvolvimento da bateria e eles propuseram que o alcance ideal de veículos elétricos é de cerca de 400 quilômetros e, se o tamanho e o peso puderem ser reduzidos, os veículos elétricos podem ser mais eficientes. Com base nessa visão, os OEMs reduzirão conscientemente o número de baterias para tornar o carro mais leve e mais econômico, enquanto ainda atende aos requisitos de alcance.
À medida que mais veículos elétricos são produzidos, a tendência do projeto mudará para a tecnologia SIC e 800V, enquanto é necessário melhorar o desempenho do controle do motor e atender aos requisitos de segurança funcionais para inversores de tração.
9. Perspectivas futuras para inversores de energia de veículos elétricos
Algumas montadoras estão estabelecendo parcerias com fornecedores de semicondutores/chips para mudar para a tecnologia SIC.
Geely: em 2021, o Rohm Semiconductor e Geely anunciou uma colaboração para desenvolver dispositivos de energia SIC. Sob a parceria, a Geely usará os dispositivos de energia SIC da ROHM em seus inversores de acionamento e sistemas de carregamento a bordo, com o objetivo de estender o alcance de seus veículos elétricos.
Motores generais: em 2021, a General Motors assinou um contrato de fornecedor com a Wolfspeed, Inc., na qual a WolfSpeed fornecerá dispositivos de energia SIC para os motores de acionamento de Ultium da GM.
Mercedes-Benz: Em 2022, em Semiconductor anunciou que sua tecnologia SIC para inversores foi usada pela Mercedes-Benz em seu veículo elétrico de visão totalmente elétrica.
Volkswagen: Em janeiro de 2023, a Volkswagen estabeleceu uma parceria estratégica com a Onsemi. De acordo com o contrato, a Onsemi fornecerá à Volkswagen módulos de potência SiC (módulos de energia elitesic) e tecnologias para os veículos elétricos da próxima geração da Volkswagen.
A demanda total do inversor global crescerá de 43,99 milhões de unidades em 2023 para 120 milhões de unidades em 2034, com uma taxa de crescimento anual composta de 9,55%. Atualmente, os inversores de IGBT são o tipo de inversor mais amplamente utilizado em todos os tipos de veículos elétricos em todo o mundo, seguidos pelo SI MOSFET. No entanto, com o aumento da demanda por BEVs e a mudança para a arquitetura de 800V, é provável que a demanda por inversores do SIC aumente. Até 2034, a participação de mercado dos inversores SIC e IGBT atingirá 44% e 45%, respectivamente, quase uniformemente dividida.
10. Conclusão
À medida que a demanda por maior eficiência e driving range continua, a indústria automotiva testemunhará a maioria dos veículos elétricos das montadoras para a arquitetura de 800V. Devido à alta eficiência de comutação e baixas perdas de inversores do SiC, a demanda será forte e eles serão amplamente adotados. A adoção generalizada de inversores do SiC liderará muitas montadoras e fornecedores a optar por se integrar verticalmente às empresas de semicondutores para garantir o fornecimento do SIC.