广告

面向未来的电动汽车电池管理系统

2021-03-04 Rudye McGlothlin,电源产品营销总监,Silicon Labs公司 阅读:
根据最新调查结果显示,对于尚未考虑抛弃传统内燃机车辆的消费者来说,对电动汽车电池续航能力的担忧,仍是阻碍其购买电动汽车的最重要因素。为了解决这一问题,半导体技术正在不断创新,为实现更快的充电速度和更高的电动汽车续航里程铺平道路。

尽管当前电动汽车(EV)和插电式混合动力汽车(HEV)的生产蓬勃发展,但消费者的实际兴趣可能有些滞后。Uqpednc

根据一家汽车研究公司的最新调查结果显示,对于尚未考虑抛弃传统内燃机(ICE)车辆的消费者来说,对电动汽车电池续航能力的担忧,仍是阻碍其购买电动汽车的最重要因素。Uqpednc

电动汽车驾驶员通常会遭受一种特有的困扰——日益普遍的“续航焦虑”。内燃机车辆驾驶员就不会有这种焦虑,因为无论他们行驶到任何地方,都可以在附近找到加油站,并且加满油箱的过程一般不会超过几分钟。Uqpednc

许多人购买电动汽车纯粹是为了工作通勤。每周五到六天在家和办公室之间往返,这很大程度上可以消除电动汽车续航里程的不确定性;车辆可在家里过夜充电,或者在工作场所附近的快速充电站充电,又或者在工作场所的停车场充电。Uqpednc

然而,只要一想到周末的乡间公路旅行,续航焦虑就又回来了。为了解决这一问题,半导体技术正在不断创新,为实现更快的充电速度和更高的电动汽车续航里程铺平道路。Uqpednc

电动汽车系统概述

在动力传动系统、能量存储和转换系统方面,电动汽车采用了模块化方法(如1所示)。通常,这些部件包括以下主要电路组件:Uqpednc

  • 车载充电器(OBC:车辆的锂离子电池由OBC充电,后者又包括带有功率因数校正(PFC)的AC-DC转换器。
  • 电池管理系统(BMS:BMS负责监测车辆各个电池的状态,以确保实现最高的效率和安全性,防止过热、过度充电或充电不足。
  • DC/DC转换器:高压电池通过DC/DC转换器连接至内部的12V直流网络。内部直流网络为配件供电,并为本地开关转换器提供偏置。
  • 主逆变器:负责将高压DC转换成AC以驱动电动机。它还用于再生制动以及将未使用的能量返回电池。

Uqpednc

1:典型的电动汽车系统架构示例。Uqpednc

电池管理系统和CAN总线

对电动汽车电池来说,它们可能会变得越来越强大,但是随着在动力传动系统中增加更复杂的电子设备以实现更有效的维护、充电和使用,对电池的要求也在逐步增加。这些系统需要精确测量重要的安全元素,例如电池组的电压、电流和温度。然而,这些测量是在高压下进行通信的,这会对收集和处理数据的敏感电子设备造成潜在的危险。Uqpednc

例如,BMS通过车辆的车载中央计算机将电池状态的基本实时数据传输给驾驶员。确保这种通信的准确性和顺畅运行,对于消除驾驶员的续航焦虑是至关重要的一步。危险在于高压和开关噪声,前者来自电池,未来几年内电池的容量可能会达到800V或更高,而后者则由与中央处理器通信的电池管理系统造成。Uqpednc

Uqpednc

2:电池管理系统通信接口。Uqpednc

2中简化的BMS系统显示了在与电动汽车子系统之一连接时信号和电源隔离的重要性。现代数字隔离需要在隔离器的两侧都有电源,并且其还可用于为连接到隔离器的其他器件(如CAN总线收发器)供电。高压域在电池组一侧,低压域在CAN收发器一侧。Uqpednc

虽然2中的示例着重于CAN总线接口,但在电池组和微控制器(MCU)之间可能还需要额外的隔离。用CAN收发器隔离各个子系统的最佳选择,是使用集成DC-DC电源转换的隔离解决方案,以避免整个系统设计过于复杂。Uqpednc

宽禁带半导体的前景

新系统不可避免的引入,将增加半导体和其他电子元件的数量,从而增加对电池电力的需求。通常,这种额外的需求会增加系统的成本和重量,在电动汽车市场中,重量越大意味着整体效率就越低。而且随着总线电压的升高,硅晶体管的成本也将随之增加。Uqpednc

很明显,诸如Si MOSFET、IGBT和超结等传统的硅技术已经不再适合电动汽车。业界已经开始采用最先进的宽禁带(WBG)技术进行设计,如碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN),这两种技术在电动汽车中都有其独特的优势。Uqpednc

与Si IGBT相比,SiC技术具有更高的工作温度、更高的阻断电压和快得多的开关速度。在电动汽车动力传动系统的核心部分,牵引逆变器会间歇性地将大能量包传输回电池,这将体现出SiC开关的最大优势。另一方面,GaN开关可以为从低功率系统到最高10kW系统(包括AC-DC OBC和DC-DC辅助电源模块)的一系列其他电源系统提供优势。Uqpednc

然而,由于GaN和SiC使用了更高的开关速度,它们会产生大量的噪声。因此,随着汽车供应商开始采用WBG功率晶体管来满足不断增长的功率密度需求,基于半导体的隔离变得不再只是值得拥有,而是成为物料清单(BOM)中至关重要的项目。Uqpednc

实现更佳的性能

要想真正能和内燃机车辆进行竞争,电动汽车电池管理和电源转换系统就必须做到小巧、轻便且耗电量少,同时还要能为电动机提供高效的动力。Uqpednc

要想获得更广泛的采用,不仅要消除人们对续航里程和成本的误解,还要确保电动汽车制造商在设计层面上尽可能使其电池管理系统具备未来适用性。Uqpednc

尽管面临挑战,但随着汽车电气化成本的下降和相关系统设计经验的增长,我们将迎来一个新的突破性技术创新发展阶段,各个系统将变得更低温、更快速、更小巧、更高效。届时,我们将看到电动汽车真正的能力。Uqpednc

本文为《电子技术设计》2021年3月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里Uqpednc

(责编:赵明灿)Uqpednc

本文为EDN电子技术设计 原创文章,禁止转载。请尊重知识产权,违者本司保留追究责任的权利。
  • 微信扫一扫
    一键转发
  • 最前沿的电子设计资讯
    请关注“电子技术设计微信公众号”
  • DC/DC转换器功率降额规范中的挑战和替代方法 当今电子系统正在将更多的功能集成到更小尺寸中,但功能增多使功耗也会增加。因此,为了应对这一趋势,提供系统电压轨的DC/DC转换器必须以更小的封装实现更高的功率,即具有更高的“功率密度”。虽然目前的转换器设计可以具有非常高效率,但仍必须消散巨大热量以将关键组件保持在其最高额定温度以下。
  • “中国IC设计成就奖”提名产品简介:SLMi33x优势 国内首款带DESAT保护功能并兼容光耦驱动的IGBT/SiC隔离驱动器,5kVrms隔离电压和高达10kV的隔离浪涌电压,CMTI超过100kV/us
  • “中国IC设计成就奖”提名产品简介:智能终端高清显示驱 新相开发的智能终端高清显示驱动芯片NV305X,采用零电容集成技术、色彩增强技术、图像压缩技术、集成MIPI、SPI、LVDS三种接口,可以同时支持LCD和IGZO两种面板类型,国内自主研发的高速、低成本,市场竞争力强的高清显示驱动芯片。
  • “中国IC设计成就奖”提名产品简介:IVCR1401 35V 4A Si IVCR1401是一款4A单通道高速智能栅极驱动器,能够高效,安全地驱动SiC MOSFET和IGBT, 对比传统的栅极驱动,8引脚设计更简洁,使用更方便,能大大节约开发时间成本。
  • “中国IC设计成就奖”提名产品简介:显示触控一体化驱动 集创北方研发的显示触控一体化驱动芯片(TDDI)突破了CDMA抗干扰技术、驱动控制与触控侦测分时复用全驱动技术、减光罩、低功耗等前沿技术,形成了TDDI特有的显示横纹 (Hline)解决方案
  • “中国IC设计成就奖”提名产品简介:艾为触觉反馈驱动AW AW86224是一款具有F0检测与追踪,内置SRAM波形空间,低功耗、小尺寸的常压线性马达驱动IC
  • “中国IC设计成就奖”提名产品简介:新能源汽车用功率器 比亚迪半导体BF1181是一款电隔离单通道栅级驱动芯片,可兼容并驱动1200V IGBT&SiC功率器件。其互补的输入信号满足5V的信号输入,可直接与微控制器相连。其输出驱动峰值电流高达±8A,满足4500Vus 60s脉冲绝缘要求,适应-40℃~125℃环境运行温度范围。BF1181同时具有优异的动态性能和工作稳定性,并集成了多种功能,如故障报警、源密勒钳位、去饱和保护、主次级欠压保护等,同时集成模拟电平检测功能,可用于实现温度或电压的检测,并提高芯片的通用性,进一步简化系统设计并确保系统更安全,可应用于EV/HEV电源模块、工业电机控制驱动、工业电源、太阳能逆变器等领域。
  • “中国IC设计成就奖”提名产品简介:碳化硅肖特基二极管 碳化硅肖特基功率二极管在开关电源电路中的应用,更好的让电路工作在高频状态,减小电路中电感等元件体积重量,由于碳化硅肖特基二极管优良的耐温性能和低损耗特性,让电路中热沉的体积重量得到改善,便于优化电路的热设计,与此同时,应用了SOD123封装形式的该款器件,为功率二极管小型化提出了解决方案,更好的贴合对器件小型化和产品功率密度改善有要求的客户需求。该产品可应用于高频ACF,小功率GaN适配器,驱动部分自举电路,高频DC/DC电路等应用场合。G51XT碳化硅肖特基二极管已进入市场,有良好的市场反馈。
  • “中国IC设计成就奖”提名产品简介:屏蔽栅金属氧化场效 捷捷微电 (上海) 科技有限公司已推出的 N 沟道 100V 含自有先进平台 JSFET 系列中的 JMSH1001ATL ,采用了经 AEQ-101 验证、具超优热导性能的 PowerJE10x12 (TOLL) 创新型封装。
  • “中国IC设计成就奖”提名产品简介:高可靠性隔离式双通 纳芯微NSi6602-Q1是国内首款车规级高压隔离半桥驱动芯片,该芯片集高隔离耐压、高可靠性、高集成度、低延时、灵活封装配置等特性于一体,可应用在车载电源OBC/DCDC、车载电驱、充电桩、光伏储能、数字电源等泛能源重点发展领域。
  • “中国IC设计成就奖”提名产品简介:超高耐压贴片SJ-MOS 维安面向全球市场,在800V及以上超高压产品进行了大量的技术投入,经过近多年的超高压SJ-MOSFET产品研发积累,已开发出国内非常领先的工艺技术,可以将小封装,高耐压导通电阻做到非常低水平。给客户提供高功率密度的800V及900V以上耐压产品。此举填补国内空白,打破了进口品牌垄断的局面。降低对国外产品依存度。维安1000V超结工艺产品技术利用电荷平衡原理实现高耐压的低导通电阻的特性。相比VD-MOSFET 结构工艺产品,SJ-MOSFET有更好的更小封装和成本优势。目前市场使用1000V耐压MOSFET,多以TO247, TO-3P甚至TO-268超大封装。维安1000V器件WMO05N100C2,使用TO-252/DPAK贴片封装,内阻低至3.5Ω,相比同规格VDMOSFET 6-7Ω 下降1倍。目前在工业控制,中低压配电等380VAC输入场景得到广泛应用。
  • “中国IC设计成就奖”提名产品简介:英诺赛科氮化镓器件 1. 高频、高功率密度;2. 高边同步整流自供电,不需要辅助绕组,设计简洁;3. 无反向恢复电荷,效率更高;4. 更利于合封集成
广告
热门推荐
广告
广告
EE直播间
在线研讨会
广告
广告
面包芯语
广告
向右滑动:上一篇 向左滑动:下一篇 我知道了