Introduction
Ces dernières années, de nouveaux véhicules énergétiques ont fait de grands progrès sur les principaux marchés automobiles traditionnels du monde entier. Selon les données de l'European Automobile Manufacturers Association ACEA, le volume d'enregistrement cumulatif de nouveaux véhicules énergétiques (BEV + PHEV) dans les pays de l'UE de janvier à octobre 2023était d'environ 1,94 million. unités, une augmentation en glissement annuel d'environ 32% et un taux de pénétration de plus de 20%; Selon les données publiées par la China Passenger Car Association, les nouveaux ventes de détail de véhicules énergétiques en Chine au cours de la même période ont atteint 5,962 millions d'unités, une augmentation en glissement annuel de 34,7% et un taux de pénétration de 34,5%.
Avec l'expansion du marché et la maturité de la chaîne industrielle pertinente, les nouveaux véhicules énergétiques sont passés depuis longtemps, allant depuis longtemps, axés sur les politiques à des produits. D'après les nouveaux produits Energy Electric Vehicle ces dernières années, nous pouvons également voir qu'il y a eu de grandes améliorations en termes de conduite autonome, de cockpit intelligent, de gamme de croisière et de performances du système d'entraînement électrique.
L'onduleur d'entraînement principal est un composant clé pour contrôler le moteur d'entraînement principal. Il convertit la puissance CC de la batterie en puissance CA du moteur d'entraînement. L'efficacité de la conversion détermine en grande partie les performances de consommation d'énergie du véhicule. Dans le même temps, la puissance de pointe de l'onduleur d'entraînement principal combiné avec le moteur d'entraînement principal à haute performance détermine également les performances globales du véhicule.
Qu'est-ce qu'un onduleur de puissance de véhicule électrique?
Un onduleur électrique de voiture est un appareil qui convertit le courant direct (comme généré par les batteries et les bouteilles de stockage) en courant alternatif (tel que 220 V, onde sinusoïdale à 50 Hz) avec une fréquence réglable. Il existe deux types de prises de pouvoir utilisées dans la vie: 220 V / 110V. Bien que nous n'ayons aucun moyen de stocker un courant alternatif, nous pouvons stocker le courant direct dans les batteries, puis utiliser les onduleurs pour convertir AC en DC. En raison de la haute tension et de la puissance élevée de la nouvelle puissance énergétiquemoteurs électriques, Les moteurs AC qui ne nécessitent pas de commutateurs de brosses sont utilisés pour tenir compte d'une efficacité plus élevée et d'une durée de vie plus longue. Un champ magnétique rotatif peut être généré sur le stator par le courant alternatif, se débarrassant ainsi des contraintes du commutateur de la brosse et entraînant le rotor pour atteindre la vitesse et le couple requis sous l'action du champ magnétique rotatif. L'onduleur du moteur d'alimentation, un dispositif de conversion d'énergie, convertit le courant direct haute tension de la batterie d'alimentation en le courant alternatif requis par le moteur d'alimentation.
3. Comment fonctionne l'onduleur dans une voiture électrique?
Principe de travail de l'onduleur électrique de la voiture
Dans le même temps, le champ magnétique rotatif généré par l'onduleur de moteur de puissance par le courant alternatif doit être synchronisé avec précision avec le champ magnétique permanent du rotor, ou de manière contrôlable asynchrone avec le champ magnétique induit du rotor. Le capteur de position du rotor est le cœur du fonctionnement fiable de l'onduleur du moteur de puissance. Le capteur de position du rotor est basé sur le principe d'un transformateur rotatif et se compose de multiples bobines d'induction fixées sur le stator et un disque de came métallique fixé sur le rotor. Chaque bobine d'induction a un enroulement d'excitation et deux enroulements secondaires.
4. Fonctions principales de l'onduleur électrique de véhicule
L'onduleur a trois fonctions principales dans la voiture électrique:
1. Convertissez la puissance CC de la batterie en puissance CA triphasée pour conduire le moteur.
2. Changez le couple et la vitesse du moteur en modifiant la tension et la fréquence à travers l'onduleur.
3. Convertir l'énergie mécanique en énergie électrique pour charger la batterie pendant la récupération d'énergie.
Moteurs à induction AC dans les véhicules électriques
Dans les véhicules électriques hybrides et purs, les onduleurs sont couramment utilisés, comme le montrent des modèles comme Tesla, Toyota Corolla Hybrid et Baic EV160. Les moteurs électriques utilisés dans les véhicules électriques sont entraînés par une alimentation CA. En modifiant la fréquence et l'amplitude de la puissance CA, la vitesse et la puissance du moteur peuvent être ajustées. Plus la fréquence de la tension de conduite est élevée, plus la vitesse du moteur est rapide et plus l'amplitude de la tension de conduite est grande, plus la puissance du moteur est forte. Cependant, il n'y a aucun moyen de stocker la puissance de courant alternatif. Les batteries de nouveaux véhicules énergétiques stockent la puissance DC, qui ne peut pas être directement utilisée pour conduire les moteurs AC. Par conséquent, un convertisseur est nécessaire pour convertir l'alimentation DC dans la batterie de la voiture en alimentation CA qui peut être utilisée par le moteur.
Il y a deux points principaux dans la conception de l'alimentation de l'onduleur de véhicule. L'un consiste à augmenter la tension de la batterie à 220 V, et l'autre est que la fréquence doit être de 50 Hz. Pour augmenter la tension de 12 V à 220 V, un circuit de hachoir Boost est utilisé. Le circuit Boost Chopper est utilisé pour y parvenir. Étant donné que la tension de sortie est beaucoup plus élevée que la tension d'entrée, le facteur de boost est d'environ 18 ans. D'après le principe de travail du circuit de boost, il est facile de savoir que le cycle de service est d'environ 0,95. Il est théoriquement possible, mais le circuit de boost est difficile à mettre en œuvre dans la pratique. Par conséquent, le boost doit être obtenu à l'aide d'un transformateur. Si le transformateur utilise un transformateur de fréquence industriel, le volume et le poids seront beaucoup plus grands que celui d'un transformateur à haute fréquence lorsque la puissance de sortie est la même, ce qui est inacceptable pour les personnes. Par conséquent, un transformateur haute fréquence et un circuit de conversion à haute fréquence sont utilisés. À l'aide d'un transformateur haute fréquence, la tension de 12V est convertie en 220 V et la fréquence de sortie doit également être élevée. De nombreux dispositifs électriques qui utilisent l'électricité du secteur 220 V ne peuvent pas être directement utilisés avec une haute fréquence 220V AC. Une conversion supplémentaire est nécessaire pour convertir la puissance CC haute fréquence en AC 50 Hz. À partir de la structure globale, le circuit conçu a deux parties: la première partie convertit 12V DC en AC à haute fréquence 220 V à l'aide d'un transformateur haute fréquence et du circuit de conversion correspondant, et la deuxième partie convertit le CA à haute fréquence 220V en 50 Hz 220V AC.
5. Avantages de l'onduleur électrique de la voiture
L'onduleur sur un véhicule électrique pur est situé dans le contrôleur de moteur (MCU). En plus de l'onduleur, il existe également un contrôleur combiné dans le MCU. Le MCU est le centre de contrôle de l'ensemble du système d'alimentation. Le contrôleur reçoit le signal de demande du moteur d'entraînement. Lorsque le véhicule freine ou accélère, le contrôleur contrôle la fréquence de l'onduleur pour faire bouger la voiture. L'onduleur reçoit la puissance DC à DC par la batterie d'alimentation, l'inverse en puissance CA triphasée pour la fournir au moteur pour le fonctionnement, et joue le rôle du freinage et de la récupération de l'énergie électrique pendant le processus de freinage du véhicule électrique. Comme le montre la figure ci-dessous, l'onduleur est composé de 6 IGBTs, et la disposition du modèle X est SA-SC. Chaque ligne de sortie de phase (IA, IB et IC) du moteur et les lignes CC positives et négatives sont connectées à une IGBT. L'élément de commutation IGBT dans l'onduleur ne peut pas fonctionner lorsque sa température dépasse 150 degrés, de sorte que les mesures de refroidissement par air ou de refroidissement par eau doivent être utilisées. Lorsque la voiture signale un défaut du système de moteur d'entraînement, comme la surchauffe du moteur d'entraînement, la surchauffe de la température du liquide de refroidissement du moteur d'entraînement, etc., alors nous devons utiliser un instrument de diagnostic pour lire la signification spécifique du code de défaut, car le défaut affiché sur le tableau de bord n'est pas très spécifique.
6. Au-delà des véhicules: autres applications
L'application des onduleurs est très étendue, couvrant plusieurs champs et scénarios d'application spécifiques. Voici quelques-unes des principales zones d'application de l'onduleur: système de production d'énergie photovoltaïque, production d'énergie solaire, production d'énergie éolienne, système UPS, champ d'aviation, etc.
7. Tendances émergentes de la technologie de l'onduleur électrique de véhicule électrique
L'onduleur principal (principal) dans un véhicule électrique convertit la tension de la batterie DC en tension CA, répondant ainsi aux exigences de tension CA du moteur de traction électrique, lui permettant de conduire le véhicule en douceur. Les dernières tendances de la conception de l'onduleur principal comprennent:
Augmentation de la puissance: plus la puissance de puissance de l'onduleur est grand, plus le véhicule accélère rapidement et plus il est réactif pour le conducteur.
Maximisez l'efficacité: minimisez la quantité d'électricité consommée par l'onduleur pour augmenter la puissance disponible pour conduire le véhicule.
Augmentation de la tension: Jusqu'à récemment, les batteries 400 V ont été la spécification la plus courante dans les véhicules électriques, mais l'industrie automobile se déplace vers 800 V pour réduire le courant, l'épaisseur du câble et le poids. Pour ce faire, l'onduleur principal des véhicules électriques doit être capable de gérer cette tension plus élevée et d'utiliser des composants appropriés.
Réduire le poids et la taille: le SIC a une densité de puissance plus élevée (kW / kg) que les IGBT à base de silicium. Une densité de puissance plus élevée aide à réduire la taille du système (kW / L), en réduisant le poids de l'onduleur d'entraînement principal tout en réduisant la charge sur le moteur. Le poids réduit du véhicule aide à prolonger le kilométrage du véhicule avec la même batterie, tout en réduisant la taille de la transmission et en augmentant l'espace disponible pour les passagers et le tronc.
Par rapport au silicium, le carbure de silicium présente plusieurs avantages en termes de propriétés des matériaux, ce qui en fait un meilleur choix pour la conception de l'onduleur principal. Le premier est sa dureté physique, qui atteint 9,5 Mohs dureté, tandis que le silicium est de 6,5 Mohs dureté, donc le carbure de silicium convient plus au frittage à haute pression et a une intégrité mécanique plus élevée. De plus, la conductivité thermique du carbure de silicium (4,9 W / cm.K) est plus de quatre fois celle du silicium (1,15 W / Cm.K), ce qui signifie qu'il peut transférer la chaleur plus efficacement et fonctionner de manière fiable à des températures plus élevées. La tension de panne du carbure de silicium (2500kV / cm) est plus de 8 fois celle du silicium (300kV / cm), et il a une large propriété qui peut s'activer et désactiver plus rapidement, ce qui en fait un meilleur choix pour la tension de plus en plus élevée (800 V) Architecture des véhicules électriques. Dans le même temps, la tension de bande interdite plus large signifie qu'elle a des pertes plus faibles que le silicium. SIC-MOSFET n'a pas de courant de queue, de mobilité élevée des porteurs et réduit les pertes de commutation de l'appareil. Le module SI-IGBT intègre une diode de récupération rapide (FRD), qui aura le courant de récupération inverse et le courant de queue lorsqu'il est désactivé, entraînant une vitesse de commutation limitée et de grandes pertes d'arrêt. Le matériau SIC a une densité de courant plus élevée et une taille de package plus petite au même niveau de puissance.
8. Défis dans le développement de l'onduleur de puissance électrique
Dans un onduleur de traction, le microcontrôleur (MCU) est le cerveau du système, effectuant un contrôle moteur, l'échantillonnage de la tension et le courant à travers des convertisseurs analogiques-numériques (ADC), du calcul des algorithmes de contrôle (FOC) axé sur le champ utilisant des noyaux magnétiques et des transistors à effet de champ de puissance (FED) (FED) Utilisation de signaux de modulation de largeur d'impulsion (PWM).
Pour MCU, la transition vers des onduleurs de traction de 800 V apporte trois défis: 1. Exigences de performance de contrôle en temps réel avec une latence plus faible 2.
Même dans des environnements à haute température, notre solution est toujours efficace, ce qui rend possible l'application d'onduleurs à petite échelle. À l'heure actuelle, dans la conception de véhicules électriques et hybrides, les fabricants ont efficacement résolu des problèmes tels que l'endurance énergétique, la puissance, la fiabilité et la rentabilité avec leurs connaissances et leur expérience professionnelles, et ont été largement reconnus dans l'industrie.
Nous avons discuté avec plusieurs ingénieurs seniors d'OEM dans le domaine du développement de la batterie, et ils ont proposé que la gamme optimale de véhicules électriques soit d'environ 400 kilomètres, et si la taille et le poids peuvent être réduits, les véhicules électriques peuvent être plus efficaces. Sur la base de ce point de vue, les OEM réduiront consciemment le nombre de batteries pour rendre la voiture plus légère et plus rentable tout en répondant aux exigences de portée.
À mesure que davantage de véhicules électriques sont produits, la tendance de conception passera à la technologie SIC et 800 V, alors qu'il est nécessaire d'améliorer les performances de contrôle du moteur et de répondre aux exigences de sécurité fonctionnelles pour les onduleurs de traction.
9. Perspectives futures pour les onduleurs de puissance des véhicules électriques
Certains constructeurs automobiles établissent des partenariats avec des fournisseurs de semi-conducteurs / puces pour passer à la technologie SIC.
En 2021, Rohm Semiconductor et Geely ont annoncé une collaboration pour développer des dispositifs de puissance SIC. Dans le cadre du partenariat, Geely utilisera les dispositifs de puissance SIC de Rohm dans ses onduleurs d'entraînement et ses systèmes de charge intégrés, visant à étendre la gamme de ses véhicules électriques.
Motors généraux: En 2021, General Motors a signé un accord de fournisseur avec WolfSpeed, Inc., dans lequel WolfSpeed fournira des dispositifs d'alimentation SIC pour les moteurs à conduite ultium de GM.
Merces-Benz: en 2022, sur Semiconductor, a annoncé que sa technologie SIC pour les onduleurs a été utilisée par Mercedes-Benz dans son véhicule électrique EQXX Vision Electric EQXX.
Volkswagen: En janvier 2023, Volkswagen a établi un partenariat stratégique avec ONSEMI. Selon l'accord, ONSEMI fournira à Volkswagen des modules de puissance SIC (modules de puissance élitée) et des technologies pour les véhicules électriques de nouvelle génération de Volkswagen.
La demande totale de l'onduleur mondial passera de 43,99 millions d'unités en 2023 à 120 millions d'unités en 2034, avec un taux de croissance annuel composé de 9,55%. Actuellement, les onduleurs IGBT sont le type d'onduleur le plus utilisé dans tous les types de véhicules électriques dans le monde, suivi de Si MOSFET. Cependant, avec l'augmentation de la demande de BEV et le passage à une architecture de 800 V, la demande d'onduleurs sic devrait augmenter. D'ici 2034, la part de marché des onduleurs SIC et IGBT atteindra respectivement 44% et 45%.
10. Conclusion
Alors que la demande d'efficacité améliorée et de practice prolongée se poursuit, l'industrie automobile assistera à la majorité des véhicules électriques des constructeurs automobiles passer à une architecture 800 V. En raison de l'efficacité de commutation élevée et de faibles pertes d'onduleurs sic, la demande sera forte et ils seront largement adoptés. L'adoption généralisée des onduleurs SIC conduira de nombreux constructeurs automobiles et fournisseurs à choisir de s'intégrer verticalement aux sociétés de semi-conducteurs pour garantir la fourniture de SIC.