電動車模擬測試

白皮書 電動車模擬測試 透過模擬測試，確保電動車具備絕佳性能 電動車（EV）市場飛速成長，促成了電動車設計驗證和效能測試的典範轉移。這股電氣化風潮，驅動汽車產業大手筆投資於創新技術，汽車工程師也開始採用新的設計和測試方法，包括使用模擬技術。如此可大幅縮短在未知領域中進行設計的時間，並顯著提高工作效率。 目前消費者對於電動車的續航里程數仍有所疑慮，使得業者將提高消費者信心視為首要之務，並致力於降低EV電池成本，讓電動車的售價變得更親民。本文將介紹設計和測試工程師如何使用模擬技術來縮短設計驗證週期，並且控制甚至降低測試成本。模擬技術具有許多優點，不但可以讓電動車變得更經濟實惠，同時還可贏得駕駛人的青睞與信心。 汽滿足車消製費造者商快全速面轉變型化，的需求 十年前，汽車製造商一般都很保守。與其他技術相比，汽車創新技術的開發週期較長。這個現象肇因於所有汽車在出廠前，都需經過一連串嚴格的碰撞測試，同時還需符合全球不同市場的交通安全和行人保護法規要求。 不僅如此，全球氣候變遷和空氣污染加劇，使得駕駛人意識到過去100年間主導市場的燃油車，正是導致污染的罪魁禍首，因而開始將目光投向電動車等低排放至零排放的替代品。 IHSMarkit發布的一份報告1顯示，到2030年，超過四分之一的新車都將是電動車。今天，汽車OEM製造商已紛紛將其主力產品從內燃機（ICE）汽車和油電混合車，轉移到純電動車。 在開發傳統ICE汽車時，設計人員需要處理的參數非常少。舉例而言，使用汽油或柴油的ICE，經過改良後可提供更出色的扭力和馬力。相較之下，新時代的EV則有著截然不同的要求。 1IHSMarkit報告：邁向電氣化未來 電動車製造商必須努力克服整個高能量電動車生態系統所面臨的挑戰，確保所有電動車符合安全和效能標準。互通性是另一個重要因素。電動車充電設備（EVSE）製造商需支援不同電動車配備的不同充電插頭，而銷往全球各地的電動車，也需符合當地的EVSE電源供應器規格。 圖1顯示電動車生態系統的複雜性。小至電池芯，大到整個充電樁和基礎設施，電動車的每一個元件和子系統，都必須符合關鍵的安全和效能標準。 儲能 儲能逆變器 壁掛式交流充電器 電池製造 太陽能陣列 太陽能逆變器 直流充電站 車載充電器電池組 直流對直流動力傳動低電壓系統 單顆電池、模組和電池組的 轉換器逆變器 馬達 設計驗證/特性分析 電網 圖1：電動車的蓬勃發展，驅動著電動交通生態系統加大技術投資 更高的電壓、成本和風險 對汽車電氣和電子設計人員來說，最重大的變化當屬高壓、高功率車用電池的問市。設計人員面臨的主要挑戰是，在原本使用12V電壓的低功率平台上，整合300V或更高電壓的電池。儘管製造商努力確保各種車載電氣子系統，能夠安全平順地進行功率轉換，但高電壓仍無可避免地帶來更高的成本和風險。 可因應這種新變化的EV測試設備，其售價遠比類似的低功率設備（例如1kW電源相對於10kW電源）貴上好幾倍。不僅如此，整體營運成本也隨之大幅增加。比方說，以全功率供電時，10kW電源所消耗的電量是1kW電源的10倍。而這樣的高功率會產生大量的熱量，因此需要提高基礎設施的散熱能力。 此外，製造商必須嚴格遵循高電壓安全法規，例如美國的NFPA79，同時還需考慮添加額外的設備，例如安全斷開系統。以上種種因素，使得整體營運成本急遽攀升。 模擬高功率車載電池 電池是電動車最重要的子系統之一。電動車需藉助大容量電池來儲存能量。充電時，來自再生煞車或電網的能量會流入電池組。接著，電池組會進行放電，以便為汽車及配件提供動力。能量大小視電流和電壓而定。 為確保安全的充電並提供所宣稱的功率，EV電池必須經過嚴格的測試。藉由模擬EV電池，工程師可準確分析電池的續航力，並且及早發現產品是否有任何瑕疵。為此，汽車製造商開始轉而使用電池模擬解決方案，以便在真實條件下測試各種類型的電池。 其目的是確認車載能源子系統能夠承受嚴苛環境的考驗，包括極端溫度和劇烈振動，以免影響電池效能。工程師可利用模擬器來模擬高功率電池，並研究在不同條件下（例如暫態電壓壓差或電源突波），電池效能對各種待測裝置（DUT）的影響。 模擬器也可當作直流對直流雙向功率轉換器和直流對交流轉換器使用。以直流對直流轉換器為例，設計工程師可使用模擬器來測試車載子系統的特性，包括將48V直流電降壓，以便為汽車空調等12V裝置供電，或是將12V匯流排升壓為汽車電池管理系統所需的48V匯流排（參見圖2）。 鋰離子高電電池壓/BMS 牽引逆變器 馬達/發電機 48VDC 牽引驅動（馬達） <20KW <4KW 充12電V 再生煞車（發電機） 48預V充匯電流排 12VDC 低電壓電池 直流對直流轉換器 低電壓負載 引擎 圖2：輕度油電混合傳動系統架構中的直流對直流轉換 大部分EV電池都是從電網汲取能量。然而，隨著能源技術不斷創新，新型電動車已經能夠將汽車電池或裝置中用不到的能源送回電網。此時，電動車需進行直流對交流轉換，因為電網是在交流平台上運作。工程師可使用模擬器來建立類似的環境，並驗證從車載子系統到EVSE等各種子系統的效能（參見圖3）。 KeysightRP7900等高效能模擬器最高可將EVDUT中90%的電力送回電網。如此還可減少待測裝置產生的熱量，進而節省散熱成本。 圖3：KeysightRP7900的再生電源功能可模擬從EV將電力送入交流主電網的過程 模擬充電樁和電動車 為了減輕消費者對於充電樁數量不足的疑慮，汽車產業正大張旗鼓地投資建設EVSE基礎設施。 根據BloombergNEF發布的資料，在2018年，全球共有632,000個公共充電樁，而電動車數量已達到 500萬輛（參見圖4）。到2030年，如果每3輛汽車就有一輛是電動車，那麼全球至少需要1,400萬到 3,000萬個公共充電樁，以滿足EV的充電需求。EVSE製造商看到了龐大商機。 快速加速微加速標準 中國美國 德國荷蘭 日本 法國英國奧地利 挪威瑞士 0100K200K300K400K 圖4：2018年，全球前10個國家/地區的公共充電基礎設施位置（資料來源：BloombergNEF） 充電設備可分為下列不同等級： 1級-交流慢速充電2級-交流中速充電3級-直流快速充電 最慢、最便宜，主要用於家庭夜間充電。 您可透過標準的120V電源插座，隨時隨地充電。 可為中小型汽車（24kWh電池）充電，充電時間為4至6小時。 這些常見的家用壁掛式交流 充電座，適合在不趕時間時使用。與3級設備相比，它們不容易 它們的充電速度很快，大約30分鐘就可將24kWh的電池充電至80%。 但也會導致電池溫度快速升高，進而影響鋰離子汽車電池的 發熱，可避免電池受損。效能。外部溫度會影響充電效率。 除需支援不同的交流和直流電氣平台外，在拓展全球市場時，電動車製造商和EVSE製造商還須應付各種繁雜的互通性和標準符合性法規（參見圖5）。 北美洲日本 和其歐他盟市場中國 所歐有盟市除外場 圖5：全球充電標準範例。Chaoj（i CHAdeMO3.0）和MCS（百萬瓦充電系統）等新興標準有助於提高充電效率。 特斯拉 過去，工程師需進行手動測試，然後將不同的汽車型號與採用不同標準的充電樁進行匹配。隨著市場飛速成長，這種測試策略並不可行。因此，電動車製造商和EVSE供應商已改成使用自動模擬技術來驗證其設計的互通性（參見圖6）。 手動測試 •部署vs.部署（僅限良好案例） •不適用於成長中的市場 自動化測試 •測試案例vs.部署（正確與錯誤案例） •可擴充，以因應成長中市場的需求 模擬技術 圖6：是德科技充電檢測系統（CDS）等模擬解決方案，帶動了充電介面測試的進化 為了找到更有效率的測試方法，EVSE供應商和汽車製造商與測試專家密切合作，以便提升充電介面測試與驗證效能。是德科技提供先進的模擬技術，以協助汽車製造商和EVSE供應商加速完成必要測試。 藉由使用此技術，測試工程師可建立功能強大的通用充電介面測試解決方案。透過雙向電源（供電與受電），它可模擬任何供電設備、電動車充電設備或電動車的電源。 其中間人測試功能，則可量測並解碼EVSE和EV之間的通訊與電源信號，以便找出潛在的互通性問題。製造商可根據每個國家的充電標準、充電樁和車型，使用相同設備來執行不同的測試參數（參見圖7）。 再生電源系統 充電檢測系統 EVSE模擬 進行模擬 EVSE必須依據 有全球標準和電網 所 電動車測試 充電檢測系統 再生電源系統 電動車模擬 進行模擬 不同的全球標準 不同的電動車需依據 EVSE測試 充電檢測系統 中間人分析 實現互通 相同的全球標準 EV和EVSE需依據 中間人測試 圖7：模擬器可取代昂貴或不切實際的測試配置；並全面驗證每個DUT在真實條件下的表現 單顆電芯、電池模組和電池組的模擬 高品質、低成本的電池，是讓電動車變得更為普及的關鍵。許多汽車製造商都擁有專門的團隊，致力於開發電動車儲能和使用系統，以因應這些挑戰。您需藉助智慧型電池管理系統（BMS）來開發和測試新的高功率儲能技術，並將多個儲能電池互連，以建構電動車所需的電池模組/電池組。設計精良的BMS可嚴密監視電壓、電流、溫度和充電狀態等參數，以執行重要的安全、控制和穩壓功能。BMS還需提供熱能管理、能源管理、電池平衡和效能提升等功能，但這些卓越特性，正是開發和驗證BMS的最大挑戰。 為了實現可重複的測試並將BMS最佳化，是德科技提供ScienlabBMS環境：連接Scienlab電池模擬器，而非真實的電池，以便模擬各種不同類型的電池模型。 是德科技與全球知名汽車製造商共同合作，以協助他們利用ScienlabBMS環境，確保未來電動車（從設計藍圖到正式上路）的順暢運作。 相關資訊 型錄：《適用於電動傳動系統和HEV/EV生態系統的創新設計與測試解決方案》海報：《推動電動車生態系統發展》 白皮書：《車聯網模擬測試》 本文件資訊如有修改，恕不另行通知。 有關是德科技電子量測產品、應用及服務的詳細資訊，請瀏覽：www.keysight.com ©KeysightTechnologies,2019-2022,PublishedinUSA,September29,2022,5992-4209ZHA