模塊化轉(zhuǎn)換器在電動(dòng)汽車中的新機(jī)遇：電子技術(shù)如何改變汽車行業(yè)的發(fā)展

慕尼黑大學(xué)開發(fā)的Formula Student Electric（FSE）賽車在每個(gè)車輪上都有六個(gè)高隔離的RECOM DC/DC轉(zhuǎn)換器來供電（照片：MunicHMotorsport)
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模塊化轉(zhuǎn)換器在電動(dòng)汽車中的新機(jī)遇
電子技術(shù)如何改變汽車行業(yè)的發(fā)展

在過去的一百年里汽車毫無疑問地改變了世界。但是現(xiàn)在追求以大排量發(fā)動(dòng)機(jī)來實(shí)現(xiàn)更高速度的趨勢已經(jīng)悄然發(fā)生了變化，因?yàn)闅夂驉夯唾Y源減少迫使我們不得不重新思考。電池動(dòng)力不但取代了原有的燃油動(dòng)力更賦予了汽車更高的性能，模塊化轉(zhuǎn)換器在這一新興領(lǐng)域的應(yīng)用極具吸引力。

在德國，所有希望借助物理學(xué)家的力量實(shí)現(xiàn)迅速轉(zhuǎn)型電動(dòng)汽車的人都會(huì)感到失望。市場最初預(yù)計(jì)到2020年，電動(dòng)汽車將達(dá)到100萬輛，但去年（2019年）只有5萬輛，其中包括一半的混合動(dòng)力汽車。所有的政治和環(huán)保活動(dòng)人士似乎都在為同樣的目標(biāo)而努力，那么為什么進(jìn)度如此緩慢? 原因有很多。

·???????? ?充電站的范圍和匱乏：目前的鋰離子電池由于容量的不足無法滿足人們度過一個(gè)無憂無慮的周末，尤其是在車內(nèi)需要溫度控制的夏季和冬季。除此之外，德國的快速充電站仍然很少，尤其是在偏遠(yuǎn)地區(qū)。就算找到充電站，還要等近一個(gè)小時(shí)才可以充滿電，即使充滿，電池也只有幾個(gè)小時(shí)的續(xù)航里程。這意味著純電動(dòng)汽車在城市里只能作為另一輛代步車使用。

·???????? ?電動(dòng)汽車仍然太貴：盡管有國家補(bǔ)貼，但對(duì)于大眾市場而言電動(dòng)汽車的價(jià)格仍然太高。德國的電價(jià)也特別高，30歐分/千瓦時(shí)的電價(jià)僅比燃油省了30%的成本。這種節(jié)省可能在長途旅行的情況下會(huì)獲得明顯的回報(bào)，但作為家用車在市內(nèi)行駛時(shí)回報(bào)卻微乎其微。

·????????電池壽命有限：電動(dòng)汽車節(jié)省了換油之類的維護(hù)成本，但幾年后更換老舊電池的沉重成本卻是明顯的隱憂。如果保持原裝電池不作更換，電動(dòng)汽車可能會(huì)貶值至幾千歐元，因?yàn)橘徺I者需要考慮更換電池的成本。

·????????電動(dòng)汽車不如宣傳的環(huán)保：即使沒有排氣管，電動(dòng)汽車也不如宣稱的那么干凈。鋰離子電池使用的原材料包括鋰、鈷和鎳，它們是在環(huán)境保護(hù)并非主要政策的國家或地區(qū)開采的。除此之外，制造每千瓦時(shí)的電池容量平均排放一百多公斤的二氧化碳。最重要的是，為電池充電使用的電力只有來自可再生能源時(shí)才是真正的無排放。
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·????????原材料的數(shù)量有限：沒人知道鋰礦和其他資源的儲(chǔ)量能維持多久來滿足全球電動(dòng)汽車的需求。隨著資源的減少，電池的價(jià)格可能會(huì)上漲而不是下跌，特別是電動(dòng)汽車的使用壽命中必須至少更換一次電池。雖然可以回收一定程度的原材料，但是這個(gè)過程又貴又耗時(shí)。

考慮到這些，可以理解為什么人們對(duì)電動(dòng)汽車沒有太多的熱情。電池供電的動(dòng)力似乎還沒有真正到來，特別是考慮到續(xù)航里程為400公里的電池重達(dá)600公斤。汽車帶著這個(gè)重量移動(dòng)降低了效率。可以安慰的是電動(dòng)機(jī)比傳統(tǒng)的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)更輕便，在制動(dòng)過程中還可以回收部分電力。

轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用

在電動(dòng)汽車使用充滿電的電池之前，充電電路需要將電網(wǎng)的交流電轉(zhuǎn)為高壓直流電，同時(shí)監(jiān)測和控制整個(gè)充電過程。傳統(tǒng)的230V插座足以在一個(gè)晚上通過小型電動(dòng)汽車的充電器將汽車充滿電。家用插座提供最高2.3kW的功率，整個(gè)充電時(shí)間需要數(shù)小時(shí)。

公共和快速充電站的功率超過100kW，所以充電速度比較快，大約一個(gè)小時(shí)就可充滿一個(gè)85kWh的電池。仍在開發(fā)中的超大功率充電站可以處理高達(dá)400kW的功率。這樣可以將充電過程縮短到大約十五分鐘，很適合長途旅行中在短暫的休息時(shí)為汽車充電。

圖2：電壓轉(zhuǎn)換器可以在充電站應(yīng)用中提供所需的高等級(jí)隔離。

所有主要的充電站都用直流電為電動(dòng)汽車充電。目前的標(biāo)準(zhǔn)電壓為400V，但將來可能會(huì)提升至800V。即使認(rèn)為在家庭環(huán)境中的直流電是安全的，電壓到如此之高也是會(huì)致命的，因此整個(gè)系統(tǒng)對(duì)可靠性的要求相對(duì)的也較高。

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這需要牢固的插頭連接以及可靠的電子安全系統(tǒng)。為了達(dá)到這個(gè)目的，汽車電池管理系統(tǒng)和充電站之間要隨時(shí)保持通信狀態(tài)。只有當(dāng)充電器牢固地插在充電插座上，并同時(shí)發(fā)出恒定的「ok」信號(hào)時(shí)才會(huì)開始充電。如果信號(hào)中斷，充電站會(huì)立即斷開充電連接。

圖3：RECOM RAC05-xxSK/480可將480VAC的相?-相電壓轉(zhuǎn)換為5或15V DC。5W轉(zhuǎn)換器的工作溫度為-40°C至+80°C以上。

RECOM RAC05-xxSK/480 AC/DC轉(zhuǎn)換器就是為了這個(gè)監(jiān)控任務(wù)所開發(fā)的（圖3）。RAC05-xxSK/480 AC/DC轉(zhuǎn)換器的輸入電壓最高可達(dá)528VAC，因此很容易在三相供電系統(tǒng)的任意兩相之間直接取電工作。通過RAC05-xxSK/480 AC/DC轉(zhuǎn)換器可得到一個(gè)4KVAC隔離的5VDC或15VDC，功率為5W的直流低電壓來為握手協(xié)議監(jiān)控電路供電。

不僅充電站需要徹底的監(jiān)控，對(duì)鋰電池本身也需要不斷地觀察。先進(jìn)的鋰離子電池通常被分成幾個(gè)小模組。每個(gè)模組的電流、電壓和溫度需要分別監(jiān)控，以確保充電過程中電池的安全。如果有一個(gè)模組有故障時(shí)必須可以單獨(dú)關(guān)閉它，以讓正常運(yùn)行的模組繼續(xù)供電。復(fù)雜的電池管理系統(tǒng)對(duì)延長電池壽命和電池保護(hù)是至關(guān)重要的。

為此RECOM開發(fā)了一系列用于電動(dòng)汽車電池管理的1W DC/DC轉(zhuǎn)換器。每個(gè)電池模組都需要屬于自己的DC/DC轉(zhuǎn)換器來為CAN總線和電壓監(jiān)測電路進(jìn)行隔離供電。這款DC/DC轉(zhuǎn)換器的隔離高達(dá)5.2KVDC，且出廠時(shí)全部通過隔離耐壓測試。

高隔離DC/DC轉(zhuǎn)換器也可用于充電電路中的功率元件的控制。這涉及到由柵極驅(qū)動(dòng)器控制的大功率IGBT、 SiC或Si Mosfet和GaN Fet，這里需要一個(gè)正電壓和一個(gè)負(fù)電壓來加速開關(guān)過程并避免誤觸發(fā)。

功率元件在高速的開關(guān)時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)非常高的脈沖電壓，因此柵極驅(qū)動(dòng)器的電源需要非常有效的隔離。RECOM開發(fā)了雙輸出「增強(qiáng)型」隔離DC/DC轉(zhuǎn)換器，輸出電壓分別有 +15V/-9V（IGBT）、+15V/-3V和+20V/5V（SiC）以及 +6V/+9V（GaN）。這些轉(zhuǎn)換器的耦合電容特別低以確保較長的系統(tǒng)使用壽命。

賽車競技孕育創(chuàng)新

賽車競技運(yùn)動(dòng)為技術(shù)變革提供了一個(gè)有效的晴雨表。額外的電力在贏得方程式賽車比賽中起著至關(guān)重要的作用。依靠電力驅(qū)動(dòng)，E級(jí)方程式賽車變的越來越強(qiáng)大。一年以前，在比賽中途必須更換第二輛賽車才能完成比賽，而現(xiàn)在，只需一次性為電池充滿電就可以完成比賽。

大學(xué)高校也在為未來而努力。慕尼黑大學(xué)的學(xué)生們正在與Munich Motorsport（慕尼黑賽車運(yùn)動(dòng)公司）合作開發(fā)一款電動(dòng)賽車，參加學(xué)生電動(dòng)方程式賽車(FSE)的比賽。輪轂中的四個(gè)三相電機(jī)控制電路中共裝配了來自RECOM RxxP2xx系列的24個(gè)隔離DC/DC轉(zhuǎn)換器。這款賽車以174bhp在2018年慕尼黑電子展的RECOM展臺(tái)上展出，其百公里加速時(shí)間不到2秒。
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展望

世界各地的研究人員都在努力改進(jìn)電動(dòng)汽車技術(shù)，尤其是在中國。鋰離子電池是否會(huì)成為最終的定論還有待觀察。能源和氣候研究所的研究人員則認(rèn)為，開發(fā)新型固態(tài)電池具有很大的潛力。新型固態(tài)電池的成分是磷酸鹽化合物，不需要使用任何液體，因此它們應(yīng)該比鋰離子電池更安全、更耐用。

氫燃料電池也非常被看好。埃爾朗根-紐倫堡大學(xué)正在研究與氫有機(jī)結(jié)合的安全“燃料”。這些液態(tài)有機(jī)氫載體（LOHC）既不易燃也無毒，使用方式跟普通燃料一樣。汽車行駛600-800公里所需的LOHC燃料量與普通燃料基本相同。現(xiàn)有的服務(wù)站網(wǎng)絡(luò)（加油站）只需稍微改造就可以很方便地提供LOHC燃料。

不論動(dòng)力源于何種電池，電動(dòng)汽車最終的驅(qū)動(dòng)器還是需要帶有電子控制、監(jiān)控和通信等功能。這將需要各種創(chuàng)新的電壓轉(zhuǎn)換器，這是RECOM之所以特別關(guān)注電動(dòng)汽車的一個(gè)重要原因。