Introducción
En los últimos años, los nuevos vehículos de energía han hecho un gran progreso en los principales mercados de automóviles principales de todo el mundo. Según los datos de la Asociación Europea de Fabricantes de Automóviles ACEA, el volumen de registro acumulativo de nuevos vehículos de energía (BEV+ PHEV) en los países de la UE de enero a octubre de 2023fue alrededor de 1.94 millones. Unidades, un aumento interanual de aproximadamente 32%y una tasa de penetración de más del 20%; Según los datos publicados por la Asociación de Automóviles de Pasajeros de China, las nuevas ventas minoristas de vehículos energéticos de China en el mismo período alcanzaron los 5,962 millones de unidades, un aumento interanual del 34,7%y una tasa de penetración del 34,5%.
Con la expansión del mercado y la madurez de la cadena industrial relevante, los nuevos vehículos de energía han cambiado hace mucho tiempo de estar impulsados por políticas a ser impulsados por el producto. Desde los nuevos productos de energía eléctrica Energy en los últimos años, también podemos ver que ha habido grandes mejoras en términos de conducción autónoma, cabina inteligente, gama de cruceros y rendimiento del sistema de accionamiento eléctrico.
El inversor principal de la unidad es un componente clave para controlar el motor de accionamiento principal. Convierte la alimentación de CC de la batería en la alimentación de CA del motor de transmisión. La eficiencia de la conversión determina en gran medida el rendimiento del consumo de energía del vehículo. Al mismo tiempo, la potencia máxima del inversor de transmisión principal combinada con el motor de transmisión principal de alto rendimiento también determina el rendimiento general del vehículo.
¿Qué es un inversor de energía de vehículo eléctrico?
Un inversor eléctrico de alimentación del automóvil es un dispositivo que convierte la corriente continua (como generada por baterías y botellas de almacenamiento) en corriente alterna (como onda sinusoidal de 220V, 50Hz) con frecuencia ajustable. Hay dos tipos de enchufes eléctricos utilizados en la vida: 220V/110V. Aunque no tenemos forma de almacenar la corriente alterna, podemos almacenar la corriente continua en las baterías y luego usar inversores para convertir el CA a DC. Debido al alto voltaje y la alta potencia de la nueva energía energéticamotores eléctricos, Los motores de CA que no requieren conmutadores de cepillos se utilizan en consideración de una mayor eficiencia y una vida más larga. Se puede generar un campo magnético giratorio en el estator mediante la corriente alterna, eliminando así las limitaciones del conmutador del cepillo y conduciendo el rotor para alcanzar la velocidad y el par requeridos bajo la acción del campo magnético giratorio. El inversor del motor de alimentación, un dispositivo de conversión de energía, convierte la corriente continua de alto voltaje de la batería de alimentación en la corriente alterna requerida por el motor de alimentación.
3. ¿Cómo funciona el inversor en un automóvil eléctrico?
Principio de trabajo del inversor de energía eléctrica para automóvil
Al mismo tiempo, el campo magnético giratorio generado por el inversor motor de potencia a través de la corriente alterna debe sincronizarse con precisión con el campo magnético permanente del rotor, o controlablemente asincrónico con el campo magnético inducido del rotor. El sensor de posición del rotor es el núcleo de la operación confiable del inversor de motor de alimentación. El sensor de posición del rotor se basa en el principio de un transformador rotativo y consiste en múltiples bobinas de inducción fijadas en el estator y un disco de leva de metal fijado en el rotor. Cada bobina de inducción tiene un devanado de excitación y dos devanados secundarios.
4. Funciones principales del inversor de energía del vehículo eléctrico
El inversor tiene tres funciones principales en el automóvil eléctrico:
1. Convierta la alimentación de CC de la batería en alimentación de CA trifásica para conducir el motor.
2. Cambie el par y la velocidad del motor cambiando el voltaje y la frecuencia a través del inversor.
3. Convierta la energía mecánica en energía eléctrica para cargar la batería durante la recuperación de energía.
Motores de inducción de CA en vehículos eléctricos
En los vehículos eléctricos híbridos y puros, los inversores se usan comúnmente, como se ve en modelos como Tesla, Toyota Corolla Hybrid y BAIC EV160. Los motores eléctricos utilizados en vehículos eléctricos son conducidos por la energía de CA. Al cambiar la frecuencia y la amplitud de la potencia de CA, se puede ajustar la velocidad y la potencia del motor. Cuanto mayor sea la frecuencia del voltaje de conducción, más rápida es la velocidad del motor y mayor es la amplitud del voltaje de conducción, más fuerte es la potencia del motor. Sin embargo, no hay forma de almacenar la potencia de CA. Las baterías de los nuevos vehículos de energía almacenan la potencia de CC, que no se puede utilizar directamente para impulsar motores de CA. Por lo tanto, se necesita un convertidor para convertir la alimentación de CC en la batería del automóvil en alimentación de CA que el motor puede usar.
Hay dos puntos principales en el diseño de la fuente de alimentación del inversor del vehículo. Una es aumentar el voltaje de la batería a 220V, y el otro es que la frecuencia debe ser de 50Hz. Para aumentar el voltaje de 12V a 220V, se usa un circuito de helicóptero de refuerzo. El circuito de helicóptero Boost se usa para lograr esto. Dado que el voltaje de salida es mucho más alto que el voltaje de entrada, el factor de refuerzo es de aproximadamente 18. Según el principio de funcionamiento del circuito de refuerzo, es fácil saber que el ciclo de trabajo es de aproximadamente 0.95. Es teóricamente factible, pero el circuito de impulso es difícil de implementar en la práctica. Por lo tanto, el impulso debe lograrse con la ayuda de un transformador. Si el transformador usa un transformador de frecuencia industrial, el volumen y el peso serán mucho más grandes que el de un transformador de alta frecuencia cuando la potencia de salida es la misma, lo que es inaceptable para las personas. Por lo tanto, se utilizan un transformador de alta frecuencia y un circuito de conversión de alta frecuencia. Con la ayuda de un transformador de alta frecuencia, el voltaje de 12V se convierte a 220V, y la frecuencia de salida también debe ser de alta frecuencia. Muchos dispositivos eléctricos que usan electricidad de 220 V no se pueden usar directamente con AC de 220V de alta frecuencia. Se requiere una conversión adicional para convertir la potencia de CC de alta frecuencia en AC de 50Hz. A partir de la estructura general, el circuito diseñado tiene dos partes: la primera parte convierte a 12V DC en 220V AC de alta frecuencia con la ayuda de un transformador de alta frecuencia y el circuito de conversión correspondiente, y la segunda parte convierte el AC de alta frecuencia en 50Hz 220V AC.
5. Beneficios del inversor eléctrico de energía
El inversor en un vehículo eléctrico puro se encuentra en el controlador del motor (MCU). Además del inversor, también hay un controlador combinado en el MCU. El MCU es el centro de control de todo el sistema de energía. El controlador recibe la señal de demanda del motor de accionamiento. Cuando el vehículo frena o se acelera, el controlador controla la frecuencia del inversor para que el automóvil se mueva. El inversor recibe la potencia de salida de CC por la batería de alimentación, la invierte en una alimentación de CA trifásica para proporcionarla al motor para su funcionamiento, y desempeña el papel de frenado y recuperación de energía eléctrica durante el proceso de frenado del vehículo eléctrico. Como se muestra en la figura a continuación, el inversor está compuesto por 6 IGBT, y la disposición del modelo X es SA-SC. Cada línea de salida de fase (IA, IB e IC) del motor y las líneas DC positivas y negativas están conectadas a un IGBT. El elemento de conmutación IGBT en el inversor no puede funcionar cuando su temperatura excede los 150 grados, por lo que se deben usar medidas de enfriamiento de aire o enfriamiento de agua. Cuando el automóvil informa una falla del sistema de motor de transmisión, como el sobrecalentamiento del motor de accionamiento, el sobrecalentamiento de la temperatura del refrigerante del motor de accionamiento, etc., entonces necesitamos usar un instrumento de diagnóstico para leer el significado específico del código de falla, porque la falla Mostrado en el tablero no es muy específico.
6. Más allá de los vehículos: otras aplicaciones
La aplicación de inversores es muy extensa, que cubre múltiples campos y escenarios de aplicación específicos. Las siguientes son algunas de las principales áreas de aplicación del inversor: sistema de generación de energía fotovoltaica, generación de energía solar, generación de energía eólica, sistema UPS, campo de aviación, etc.
7. Tendencias emergentes en la tecnología del inversor de energía de vehículos eléctricos
El inversor principal (principal) en un vehículo eléctrico convierte el voltaje de la batería de CC en voltaje de CA, cumpliendo así los requisitos de voltaje de CA del motor de tracción eléctrica, lo que le permite conducir el vehículo sin problemas. Las últimas tendencias en el diseño del inversor principal de la unidad incluyen:
Mayor potencia: cuanto mayor sea la potencia de salida del inversor, más rápido se acelera el vehículo y más receptivo es para el conductor.
Maximice la eficiencia: minimice la cantidad de electricidad consumida por el inversor para aumentar la energía disponible para conducir el vehículo.
Aumento del voltaje: hasta hace poco, las baterías de 400 V han sido la especificación más común en vehículos eléctricos, pero la industria automotriz se está moviendo hacia 800V para reducir la corriente, el grosor del cable y el peso. Para hacer esto, el inversor de unidad principal en vehículos eléctricos debe poder manejar este voltaje más alto y usar componentes adecuados.
Reduzca el peso y el tamaño: SIC tiene una mayor densidad de potencia (kW/kg) que las IGBT a base de silicio. Una mayor densidad de potencia ayuda a reducir el tamaño del sistema (KW/L), reduciendo el peso del inversor principal del accionamiento al tiempo que reduce la carga en el motor. El peso reducido del vehículo ayuda a extender el kilometraje del vehículo con la misma batería, al tiempo que reduce el tamaño de la transmisión y aumenta el espacio disponible para los pasajeros y el tronco.
En comparación con el silicio, el carburo de silicio tiene varias ventajas en términos de propiedades del material, por lo que es una mejor opción para el diseño principal del inversor de la unidad. La primera es su dureza física, que alcanza la dureza de 9.5 Mohs, mientras que el silicio es 6.5 dureza de MOHS, por lo que el carburo de silicio es más adecuado para la sinterización de alta presión y tiene una mayor integridad mecánica. Además, la conductividad térmica del carburo de silicio (4.9w/cm.k) es más de cuatro veces mayor que la de silicio (1.15 w/cm.k), lo que significa que puede transferir el calor de manera más efectiva y operar de manera confiable a temperaturas más altas. El voltaje de desglose del carburo de silicio (2500kV/cm) es más de 8 veces mayor que el de Silicon (300kV/cm), y tiene una propiedad amplia de bandas de banda que puede activarse y salir más rápido, por lo que es una mejor opción para el voltaje cada vez más alto (800V) Arquitectura de vehículos eléctricos. Al mismo tiempo, el voltaje de banda más ancho significa que tiene pérdidas más bajas que el silicio. SIC-MOSFET no tiene corriente de cola, alta movilidad portadora y reduce las pérdidas de conmutación de dispositivos. El módulo Si-IGBT integra un diodo de recuperación rápido (FRD), que tendrá corriente de recuperación inversa y corriente de la cola cuando se apague, lo que resulta en una velocidad de conmutación limitada y grandes pérdidas de apagado. El material SIC tiene una densidad de corriente más alta y un tamaño de paquete más pequeño en el mismo nivel de potencia.
8. Desafíos en el desarrollo del inversor de energía eléctrica
En un inversor de tracción, el microcontrolador (MCU) es el cerebro del sistema, que realiza control motor, voltaje de muestreo y corriente a través de convertidores analógicos a digitales (ADC), calculando algoritmos de control (FOC) de control (FOC) que usan núcleos magnéticos y transistores de efectos de campo de potencia (FET) Uso de señales de modulación de ancho de pulso (PWM).
Para MCU, la transición a los inversores de tracción de 800V trae tres desafíos: 1. Requisitos de rendimiento de control en tiempo real con una latencia más baja 2. Mayor requisitos de seguridad funcional 3. Debe responder rápidamente a las fallas del sistema
Incluso en entornos de alta temperatura, nuestra solución sigue siendo efectiva, lo que hace posible la aplicación de inversores a pequeña escala. En la actualidad, en el diseño de vehículos eléctricos e híbridos, los fabricantes han resuelto efectivamente problemas como resistencia energética, energía, confiabilidad y rentabilidad con su conocimiento y experiencia profesional, y han sido ampliamente reconocidos en la industria.
Discutimos con varios ingenieros senior de OEM en el campo del desarrollo de la batería, y propusieron que el rango de conducción óptimo de vehículos eléctricos es de aproximadamente 400 kilómetros, y si el tamaño y el peso pueden reducirse, entonces los vehículos eléctricos pueden ser más eficientes. Según este punto de vista, los OEM reducirán conscientemente la cantidad de baterías para hacer que el automóvil sea más ligero y más rentable mientras cumple con los requisitos de rango.
A medida que se producen más vehículos eléctricos, la tendencia de diseño cambiará a la tecnología SIC y 800V, mientras que es necesario mejorar el rendimiento del control del motor y cumplir con los requisitos de seguridad funcionales para los inversores de tracción.
9. Perspectivas futuras para inversores de energía de vehículos eléctricos
Algunos fabricantes de automóviles están estableciendo asociaciones con proveedores de semiconductores/chips para pasar a la tecnología SIC.
Geely: en 2021, Rohm Semiconductor y Geely anunciaron una colaboración para desarrollar dispositivos de potencia SIC. Según la asociación, Geely utilizará los dispositivos SIC Power de ROHM en sus inversores de unidad y sistemas de carga a bordo, con el objetivo de extender el rango de sus vehículos eléctricos.
Motores generales: en 2021, General Motors firmó un acuerdo de proveedor con Wolfspeed, Inc., en el que WolfSpeed proporcionará dispositivos de potencia SIC para los motores Ultium Drive de GM.
Mercedes-Benz: en 2022, en semiconductor anunció que su tecnología SIC para inversores ha sido utilizada por Mercedes-Benz en su vehículo eléctrico EQXX de visión totalmente eléctrica.
Volkswagen: En enero de 2023, Volkswagen estableció una asociación estratégica con Onsemi. Según el acuerdo, ONSEMI proporcionará a Volkswagen módulos de potencia SIC (módulos de potencia de Elites) y tecnologías para los vehículos eléctricos de próxima generación de Volkswagen.
La demanda total del inversor global crecerá de 43.99 millones de unidades en 2023 a 120 millones de unidades en 2034, con una tasa de crecimiento anual compuesta de 9.55%. Actualmente, los inversores IGBT son el tipo de inversor más utilizado en todo tipo de vehículos eléctricos en todo el mundo, seguidos de SI Mosfet. Sin embargo, con el aumento de la demanda de BEV y el cambio a la arquitectura de 800 V, es probable que la demanda de inversores SIC aumente. Para 2034, la cuota de mercado de los inversores SIC e IGBT alcanzará el 44% y el 45%, respectivamente, casi uniformemente dividido.
10. Conclusión
A medida que continúa la demanda de una mejor eficiencia y un rango de manejo extendido, la industria automotriz será testigo de la mayoría de los vehículos eléctricos de los fabricantes de automóviles cambian a una arquitectura de 800 V. Debido a la alta eficiencia de cambio y las bajas pérdidas de los inversores SIC, la demanda será fuerte y se adoptarán ampliamente. La adopción generalizada de los inversores SIC llevará a muchos fabricantes y proveedores a elegir integrarse verticalmente con las compañías de semiconductores para asegurar el suministro de SIC.