Emerging Solutions to Hybrid & Electric Vehicle DC: DC Converter Design and Test

作者：Mike Hawes / 是德科技汽車與能源解決方案研發規劃經理Keysight Technologies新興油電混合車與電動車直流對直流 轉換器設計與測試解決方案白皮書 02 | Keysight | 新興油電混合車與電動車直流對直流轉換器設計與測試解決方案 — 白皮書www.keysight.com/find/automotive目錄簡介 ..............................................................................................................................................................03產業趨勢對直流對直流轉換器的 EV 設計及 EV 測試有何影響？ .............................................................06新興直流對直流轉換器之 EV 設計和 EV 測試解決方案 ...........................................................................08結語 ..............................................................................................................................................................11 03 | Keysight | 新興油電混合車與電動車直流對直流轉換器設計與測試解決方案 — 白皮書www.keysight.com/find/automotive簡介隨著混合動力與電動車銷量不斷成長，最新新聞持續鼓吹對車輛電氣化的大規模投資與開發。2016 年電動車 (EV) 銷量在整體汽車市場的市佔率仍不到 1%，但其成長幅度從 2015 年至 2016 年飆升了 60%1。Tesla、Chevrolet 以及其他電動車正致力於解決一些阻礙 EV 熱賣的負面因素。現在電動車單次充電可支援超過 200 英哩（Chevy Bolt – 238 英里，Tesla Model 3 – 220 英哩）的行車里程數，因此不必擔憂里程問題。這樣的里程數，讓通勤者及「當天來回」的旅行者能順利完成往返駕駛，無需擔心充電站位置以及充電時間等問題。此外，電動車價格呈現下降趨勢，Tesla 最近發表的 Model 3，最低售價為 35,000 美元。Model 3 是 Elon Musk 首款主打大眾市場的 EV，目的是將 EV 總產量提高 10 倍。中國政府在最新的 5 年計劃中確立了在 2020 年之前不數 480 萬個充電站的目標2。中國的空氣污染情況日益加劇，而且全國人口超過 100 萬的城市有 100 多個，因此中國必定得轉用零碳排放車輛。但是，許多汽車製造商僅只是製造「符合」CO2 排放標準的汽車，這些電動車目前都還沒辦法獲利。根據經驗，新的動力傳動系統技術通常要經過一個以上的設計週期才能實現獲利。為了減輕 EV 動力傳動系統元件（牽引馬達/牽引變流器、功率轉換器以及電池）的成本壓力，汽車產業努力推動著全新基礎技術的發展。例如，為延長 EV 里程，廠商正致力於開發續電量更高（達到 60 Ah 及以上）的鋰離子電池。此技術有助於延長 EV 里程，但所付出的代價是，其可靠性不如鉛酸電池，因而需進行額外的驗證測試並持續監控製造流程。EV 產業試圖搶佔傳統內燃引擎 (ICE) 汽車輛市場的佔有率，因此 EV 製造商將繼續面臨巨大的成本壓力。相較之下，油電混合車（HEV）早已開始獲利了。根據 Nikkei 的統計，自 2009 年開始，Honda 和 Toyota 所銷售的每一台 HEV 均實現獲利3，利潤與傳統 ICE 驅動汽車不相上下。HEV 目前的銷量遠高於 EV，預計在可預見的未來將在市場中佔據領導地位（參見圖 1）。歐洲OEM汽車製造商正大力將輕度混合動力技術融入諸多車型中。事實上，Volvo 已於近期宣佈，到 2019 年，所有新款汽車都將配備電動馬達。輕度混合動力 (MH) 技術所需的投資比全混合動力技術要低了約 50%，但仍有助於降低 15-20% 的 CO2 排放量。MH 方法可降低 CO2 的排放量，既能夠讓製造商符合相關規定，又能大幅地降低投資成本，讓 MH 車能維持與 ICE 驅動車的價格競爭優勢。1. 根據國際能源署（IEA）發佈的 2 017 年「全球電動車展望年報」，從 2015 年至 2016 年，EV 的銷量成長率高達 60%，EV/PHEV 在全球的銷量達到 2 百多萬台。2. 中國預測的 EV 充電站市場以及充電樁產業 (2016-2020)，ReportsnReports 於 2016 年 2 月 7 日發佈。3. 2009（來自 Toyota 和 Honda ）：資料來源：日本 Nikkei 新聞通訊。 04 | Keysight | 新興油電混合車與電動車直流對直流轉換器設計與測試解決方案 — 白皮書www.keysight.com/find/automotiveHEV 和 EV 具有多種不同結構。圖 2 顯示其中幾種結構的簡易方塊圖。透過大型電池供電的高壓 (HV) 匯流排負責驅動強度（並聯）油電混合車以及純 EV 車（無引擎）的動力傳動系統。電源逆變器以及馬達/發電機的功率位準介於 60 kW 至高達 180 kW 之間，甚至可超過 180 kW。汽車製造商需進行大規模投資來開發這些結構與大型鋰離子電池。這些元件大多採用雙向設計，讓電力能夠從電池轉向逆變器，以帶動馬達轉動並驅動汽車（牽引驅動）。這些元件大多採用雙向設計，讓電力能夠從電池轉向逆變器，以帶動馬達轉動並驅動汽車輛（牽引驅動）。它們並沒有大到可以獨立驅動汽車（如同 HEV 或 EV 一樣），而是用於在加速過程中為引擎提供補充功率，並且在減速過程中對電池充電。MH 車的電壓通常為 48 V，使得匯流排結構維持在 HV 60V 的安全額定值以下，但可提供的功率是採用相同定電流之 12 V 匯流排的 4 倍。 圖 1： 全球 HEV/EV 的出貨量估計。Global NEV LV shipments, 2011-2020EUnit, mnEV1086420Source: BofA Merrill Lynch Global Research estimates122015-2020ECAGR=32.7%201120122013201420152016E2017E2018E2019E2020EPlug-in hybridHybrid ex plug-inFuel cell 05 | Keysight | 新興油電混合車與電動車直流對直流轉換器設計與測試解決方案 — 白皮書www.keysight.com/find/automotive直流對直流轉換器是這兩種架構的關鍵元件，將電壓更高的匯流排（MH - 48 V 或 EV/HEV - 100 V） ，轉換至傳統的 12 V 電力匯流排，電氣負載大多由後者進行驅動。本文主要探討直流對直流轉換器的模擬、設計、除錯、驗證以及製造測試。在重度 HEV 或 EV 應用中，直流對直流轉換器可將 HV 匯流排的電力轉換為 12 V 的電力，以便為 12 V 電池充電。業界還沒有可將 12 V 匯流排的電力「提升」至更高電壓電力的應用，因此在這類架構中，多數直流對直流轉換器採用單向設計。但是，在 MH 架構中，除透過 48 V 匯流排為 12 V 電池充電外，直流對直流轉換器還需將 12 V 匯流排的電力轉換為 48 V 匯流排。主要應用為在接觸器將 48 V 電池連接至 48 V 匯流排之前，先將匯流排預充電（即逆變器的輸入電容）。預充電可等化電池電壓與逆變器輸入，進而大幅降低接觸器的電弧效應。如前所述，歐洲正大力推動 MH 技術的應用，此舉預料可讓 MH 變成 HEV 市場的關鍵要件。隨著兩大架構的市場均蓬勃發展，HV 匯流排將陸續加入新負載。HV 匯流排的負載效率，比透過低電壓匯流排進行驅動時要來得出色。此外，對電負載進行電子控制並僅在必要時對其進行充電（比如幫浦），其效率比始終連接至機械傳動系統的機械操作負載高很多。隨著越來越多負載轉移至 HV 匯流排，業界有必要將 12 V 匯流排的電力提升至 HV 匯流排位準。例如，在冷溫條件下，鋰離子電池的效能並不理想。因此，透過 HV 匯流排驅動引擎起動器時，採用 12 V 鉛酸電池比較有效，因其具備優良的冷起動特性，可透過直流對直流轉換器將電力回供給 HV 匯流排，以協助引擎起動器順利運轉。圖 2： HEV/EV 動力傳動系統架構Strong Hybrid or Electric VehicleMild HybridChargingStationTraction Drive (Motor)Regenerative Braking(Generator)TractionInverterDC:DCConvHVLi-IonBatteryBMSCharge12V Battery280 VDC to800 VDC+LVBatteryLV LoadsDC/DCConverter< 4 kW12 VDC60 - 180 kW+OnboardChargerEngineMotor /GeneratorEngineMotor /GeneratorTractionInverterLi-IonBattery48 VDC12 VDCTraction Drive (Motor)Pre-charge48V BusRegenerative Braking(Generator)< 20 kWCharge12V BatteryBMSDC/DCConverter< 4 kWLVBatteryLV LoadsLow Voltage Bus (< 60V)High Voltage Bus (> 60V)Optional ComponentPower Flow 06 | Keysight | 新興油電混合車與電動車直流對直流轉換器設計與測試解決方案 — 白皮書www.keysight.com/find/automotive成本壓力在開發直流對直流轉換器時，工程師在設計和測試階段便面臨著需大幅降低成本的壓力。大多數直流對直流轉換器採用基於矽 (Si) 的功率轉換器設計，因此具水冷式特性。然而 HEV/EV 製造商卻面臨額外的冷卻設計成本壓力，使得設計與測試工程師必須在設計與測試階段透過油壺、幫浦以及軟管，對直流對直流轉換器提供冷卻作用。因此，製造商正致力於將多個功率轉換器應用，整合入單一模組（例如 直流對直流轉換器 + 車載充電器），以大幅減少液態冷卻模組的數量。此外，設計工程師藉由使用寬能隙 (WBG) 元件，來導入全新的功率半導體技術。此領域有兩大領先技術，亦即碳化矽 (SiC) 以及氮化鎵 (GaN)。相較於 Si 元件，WBG 元件提供更多重要優勢： –功率效率 由於 WBG 元件的切換速度遠比 Si 快很多，因此可有效減少功率轉換過程出現的大多數功率損耗（即切換損耗）。此外，頻率更高，代表電磁元件必須更小，以便降低設計成本。 –高電壓運作 相較於 Si 元件，WBG 元件可因應更高的電壓（600 V 或更高）。如此一來，HV 匯流排架構便能以更小的電流（即電線直徑更小）來驅動 HEV/EV 元件，以減輕電源線束的重量。 –高溫運作 WBG 元件的導熱性以及熔點特性，使其能夠在超過 300°C 的溫度條件下運作。這項特性使得支援 HEV/EV 應用（元件需