Perkenalan
Dalam beberapa tahun terakhir, kendaraan energi baru telah membuat kemajuan besar di pasar mobil utama utama di seluruh dunia. Menurut data dari Asosiasi Produsen Automobile Eropa ACEA, volume pendaftaran kumulatif kendaraan energi baru (BEV+ PHEV) di negara -negara UE dari Januari hingga Oktober 2023sekitar 1,94 juta. unit, peningkatan tahun-ke-tahun sekitar 32%, dan tingkat penetrasi lebih dari 20%; Menurut data yang dikeluarkan oleh Asosiasi Mobil Penumpang China, penjualan ritel kendaraan energi baru China pada periode yang sama mencapai 5,962 juta unit, peningkatan tahun-ke-tahun sebesar 34,7%, dan tingkat penetrasi 34,5%.
Dengan perluasan pasar dan kedewasaan rantai industri yang relevan, kendaraan energi baru telah lama berubah dari didorong oleh kebijakan menjadi didorong oleh produk. Dari produk kendaraan listrik energi baru dalam beberapa tahun terakhir, kita juga dapat melihat bahwa ada peningkatan besar dalam hal mengemudi otonom, kokpit cerdas, jangkauan jelajah, dan kinerja sistem penggerak listrik.
Inverter drive utama adalah komponen kunci untuk mengendalikan motor penggerak utama. Ini mengubah daya DC dari paket baterai menjadi daya AC dari motor penggerak. Efisiensi konversi sebagian besar menentukan kinerja konsumsi energi kendaraan. Pada saat yang sama, daya puncak inverter drive utama dikombinasikan dengan motor penggerak utama berkinerja tinggi juga menentukan kinerja keseluruhan kendaraan.
Apa itu Inverter Daya Kendaraan Listrik?
Inverter daya mobil listrik adalah perangkat yang mengubah arus searah (seperti yang dihasilkan oleh baterai dan botol penyimpanan) menjadi arus bolak -balik (seperti gelombang sinus 220V, 50Hz) dengan frekuensi yang dapat disesuaikan. Ada dua jenis soket daya yang digunakan dalam kehidupan: 220V/110V. Meskipun kami tidak memiliki cara untuk menyimpan arus bolak -balik, kami dapat menyimpan arus searah dalam baterai dan kemudian menggunakan inverter untuk mengonversi AC ke DC. Karena tegangan tinggi dan daya tinggi daya energi barumotor listrik, AC motor yang tidak memerlukan komutator sikat digunakan dengan pertimbangan efisiensi yang lebih tinggi dan umur yang lebih lama. Medan magnet yang berputar dapat dihasilkan pada stator melalui arus bolak -balik, sehingga menghilangkan kendala komutator sikat dan menggerakkan rotor untuk mencapai kecepatan dan torsi yang diperlukan di bawah aksi medan magnet yang berputar. Inverter motor daya, perangkat konversi energi, mengubah arus searah tegangan tinggi dari baterai daya menjadi arus bergantian yang dibutuhkan oleh motor daya.
3. Bagaimana cara kerja inverter di mobil listrik?
Prinsip Kerja Inverter Tenaga Mobil Listrik
Pada saat yang sama, medan magnet yang berputar yang dihasilkan oleh inverter motor daya melalui arus bolak -balik harus disinkronkan secara tepat dengan medan magnet permanen rotor, atau secara terkontrol asinkron dengan medan magnet yang diinduksi rotor. Sensor posisi rotor adalah inti dari operasi yang andal dari inverter motor daya. Sensor posisi rotor didasarkan pada prinsip transformator rotary dan terdiri dari beberapa kumparan induksi yang dipasang pada stator dan disk cam logam yang dipasang pada rotor. Setiap kumparan induksi memiliki gulungan eksitasi dan dua belitan sekunder.
4. Fungsi utama inverter tenaga kendaraan listrik
Inverter memiliki tiga fungsi utama di mobil listrik:
1. Konversi daya DC baterai menjadi daya AC tiga fase untuk menggerakkan motor.
2. Ubah torsi dan kecepatan motor dengan mengubah tegangan dan frekuensi melalui inverter.
3. Konversi energi mekanik menjadi energi listrik untuk mengisi baterai selama pemulihan energi.
Motor induksi AC pada kendaraan listrik
Pada kendaraan listrik hibrida dan murni, inverter umumnya digunakan, seperti yang terlihat pada model seperti Tesla, Toyota Corolla Hybrid, dan Baic EV160. Motor listrik yang digunakan dalam kendaraan listrik digerakkan oleh daya AC. Dengan mengubah frekuensi dan amplitudo daya AC, kecepatan dan daya motor dapat disesuaikan. Semakin tinggi frekuensi tegangan penggerak, semakin cepat kecepatan motor, dan semakin besar amplitudo tegangan penggerak, semakin kuat daya motor. Namun, tidak ada cara untuk menyimpan daya AC. Baterai kendaraan energi baru menyimpan daya DC, yang tidak dapat langsung digunakan untuk menggerakkan motor AC. Oleh karena itu, konverter diperlukan untuk mengubah daya DC dalam paket baterai mobil menjadi daya AC yang dapat digunakan oleh motor.
Ada dua titik utama dalam desain catu daya inverter kendaraan. Salah satunya adalah meningkatkan tegangan baterai ke 220V, dan yang lainnya adalah bahwa frekuensinya harus 50Hz. Untuk meningkatkan tegangan dari 12V menjadi 220V, sirkuit boost chopper digunakan. Sirkuit Chopper Boost digunakan untuk mencapai ini. Karena tegangan output jauh lebih tinggi dari tegangan input, faktor dorongan adalah sekitar 18. Dari prinsip kerja sirkuit boost, mudah untuk mengetahui bahwa siklus tugas sekitar 0,95. Secara teoritis layak secara teoritis, tetapi sirkuit boost sulit diterapkan dalam praktik. Oleh karena itu, dorongan harus dicapai dengan bantuan transformator. Jika transformator menggunakan transformator frekuensi industri, volume dan bobot akan jauh lebih besar daripada transformator frekuensi tinggi ketika daya outputnya sama, yang tidak dapat diterima oleh manusia. Oleh karena itu, transformator frekuensi tinggi dan sirkuit konversi frekuensi tinggi digunakan. Dengan bantuan transformator frekuensi tinggi, tegangan 12V dikonversi menjadi 220V, dan frekuensi output juga harus frekuensi tinggi. Banyak perangkat listrik yang menggunakan listrik 220V listrik tidak dapat secara langsung digunakan dengan AC 220V frekuensi tinggi. Konversi lebih lanjut diperlukan untuk mengubah daya DC frekuensi tinggi menjadi AC 50Hz. Dari struktur keseluruhan, sirkuit yang dirancang memiliki dua bagian: Bagian pertama mengubah 12V DC menjadi AC frekuensi tinggi 220V dengan bantuan transformator frekuensi tinggi dan sirkuit konversi yang sesuai, dan bagian kedua mengkonversi frekuensi tinggi 220V AC tinggi, frekuensi tinggi AC 220V tinggi frekuensi tinggi 220V tinggi, frekuensi tinggi AC 220V tinggi frekuensi tinggi 220V tinggi tinggi frekuensi tinggi tinggi frekuensi tinggi tinggi tinggi frekuensi tinggi tinggi menjadi 50Hz 220V AC.
5. Manfaat Inverter Tenaga Mobil Listrik
Inverter pada kendaraan listrik murni terletak di pengontrol motor (MCU). Selain inverter, ada juga pengontrol yang dikombinasikan dalam MCU. MCU adalah pusat kontrol dari seluruh sistem daya. Pengontrol menerima sinyal permintaan motor penggerak. Saat kendaraan mengerem atau mempercepat, pengontrol mengontrol frekuensi inverter untuk membuat mobil bergerak. Inverter menerima output daya DC dengan baterai daya, membalikkannya menjadi daya AC tiga fase untuk menyediakannya ke motor untuk operasi, dan memainkan peran pengereman dan memulihkan energi listrik selama proses pengereman kendaraan listrik. Seperti yang ditunjukkan pada gambar di bawah ini, inverter terdiri dari 6 IGBT, dan pengaturan model X adalah SA-SC. Setiap garis output fase (IA, IB dan IC) dari motor dan garis DC positif dan negatif terhubung ke IGBT. Elemen switching IGBT di inverter tidak dapat berfungsi ketika suhunya melebihi 150 derajat, sehingga pendinginan udara atau pengukuran pendingin air harus digunakan. Ketika mobil melaporkan kesalahan sistem motor penggerak, seperti overheating motor penggerak, overheating suhu pendingin motor penggerak, dll., Maka kita perlu menggunakan instrumen diagnostik untuk membaca makna spesifik dari kode kesalahan, karena kesalahannya Ditampilkan di dasbor tidak terlalu spesifik.
6. Beyond Vehicle: Aplikasi Lain
Aplikasi inverter sangat luas, mencakup beberapa bidang dan skenario aplikasi spesifik. Berikut ini adalah beberapa area aplikasi inverter utama: sistem pembangkit listrik fotovoltaik, pembangkit listrik tenaga surya, pembangkit listrik tenaga angin, sistem UPS, bidang penerbangan, dll.
7. Tren yang muncul dalam teknologi Inverter Daya Kendaraan Listrik
Inverter drive utama (utama) dalam kendaraan listrik mengubah tegangan baterai DC menjadi tegangan AC, sehingga memenuhi persyaratan tegangan AC dari motor traksi listrik, memungkinkannya untuk menggerakkan kendaraan dengan lancar. Tren terbaru dalam desain inverter drive utama meliputi:
Peningkatan Daya: Semakin besar output daya inverter, semakin cepat kendaraan berakselerasi dan semakin responsif terhadap pengemudi.
Maksimalkan Efisiensi: Minimalkan jumlah listrik yang dikonsumsi oleh inverter untuk meningkatkan daya yang tersedia untuk menggerakkan kendaraan.
Peningkatan tegangan: Sampai saat ini, baterai 400V telah menjadi spesifikasi yang paling umum pada kendaraan listrik, tetapi industri otomotif bergerak ke arah 800V untuk mengurangi saat ini, ketebalan kabel dan berat. Untuk melakukan ini, inverter drive utama dalam kendaraan listrik harus dapat menangani tegangan yang lebih tinggi ini dan menggunakan komponen yang sesuai.
Kurangi berat dan ukuran: SIC memiliki kepadatan daya yang lebih tinggi (KW/kg) daripada IGBT berbasis silikon. Kepadatan daya yang lebih tinggi membantu mengurangi ukuran sistem (KW/L), mengurangi berat inverter drive utama sambil mengurangi beban pada motor. Berkurangnya berat kendaraan membantu memperpanjang jarak tempuh kendaraan dengan baterai yang sama, sambil mengurangi ukuran drivetrain dan meningkatkan ruang yang tersedia untuk penumpang dan bagasi.
Dibandingkan dengan silikon, silikon karbida memiliki beberapa keunggulan dalam hal sifat material, menjadikannya pilihan yang lebih baik untuk desain inverter drive utama. Yang pertama adalah kekerasan fisiknya, yang mencapai kekerasan 9,5 MOHS, sedangkan silikon adalah 6,5 MOHS kekerasan, sehingga silikon karbida lebih cocok untuk sintering bertekanan tinggi dan memiliki integritas mekanik yang lebih tinggi. Selain itu, konduktivitas termal silikon karbida (4.9W/cm.k) lebih dari empat kali lipat silikon (1,15 W/cm.k), yang berarti dapat mentransfer panas lebih efektif dan beroperasi dengan andal pada suhu yang lebih tinggi. Tegangan kerusakan silikon karbida (2500kV/cm) lebih dari 8 kali lipat dari silikon (300kV/cm), dan memiliki properti celah pita lebar yang dapat menyala dan mati lebih cepat, menjadikannya pilihan yang lebih baik untuk tegangan yang semakin tinggi tegangan tinggi tinggi yang semakin tinggi (800V) Arsitektur Kendaraan Listrik. Pada saat yang sama, tegangan pita yang lebih luas berarti memiliki kerugian yang lebih rendah daripada silikon. SIC-MOSFET tidak memiliki arus ekor, mobilitas pembawa tinggi, dan mengurangi kerugian switching perangkat. Modul Si-IGBT mengintegrasikan dioda pemulihan cepat (FRD), yang akan memiliki arus pemulihan terbalik dan arus ekor saat dimatikan, menghasilkan kecepatan switching terbatas dan kerugian mematikan yang besar. Bahan SIC memiliki kepadatan arus yang lebih tinggi dan ukuran paket yang lebih kecil pada tingkat daya yang sama.
8. Tantangan dalam Pengembangan Inverter Tenaga Mobil Listrik
Dalam inverter traksi, mikrokontroler (Mcu) adalah otak sistem, melakukan kontrol motorik, tegangan pengambilan sampel dan arus melalui konverter analog-ke-digital (ADC), menghitung algoritma kontrol berorientasi medan (FOC) menggunakan core magnetik, dan transistor efek-medan daya mengemudi (FET) Menggunakan sinyal modulasi lebar pulsa (PWM).
Untuk MCU, Transisi ke 800V Traction Inverters membawa tiga tantangan: 1. Persyaratan kinerja kontrol waktu nyata dengan latensi 2 yang lebih rendah. Peningkatan persyaratan keselamatan fungsional 3. Perlu merespons dengan cepat kegagalan sistem
Bahkan di lingkungan suhu tinggi, solusi kami masih efektif, yang memungkinkan penerapan inverter skala kecil. Saat ini, dalam desain kendaraan listrik dan hibrida, produsen telah secara efektif memecahkan masalah seperti daya tahan energi, daya, keandalan dan efektivitas biaya dengan pengetahuan dan pengalaman profesional mereka, dan telah secara luas diakui dalam industri.
Kami berdiskusi dengan beberapa insinyur senior dari OEM di bidang pengembangan paket baterai, dan mereka mengusulkan bahwa rangkaian mengemudi yang optimal dari kendaraan listrik adalah sekitar 400 kilometer, dan jika ukuran dan berat dapat dikurangi, maka kendaraan listrik mungkin lebih efisien. Berdasarkan pandangan ini, OEM akan secara sadar mengurangi jumlah baterai untuk membuat mobil lebih ringan dan lebih hemat biaya sambil tetap memenuhi persyaratan jangkauan.
Karena semakin banyak kendaraan listrik yang diproduksi, tren desain akan beralih ke teknologi SIC dan 800V, sementara ada kebutuhan untuk meningkatkan kinerja kontrol motor dan memenuhi persyaratan keselamatan fungsional untuk inverter traksi.
9. Outlook masa depan untuk inverter daya kendaraan listrik
Beberapa pembuat mobil membangun kemitraan dengan pemasok semikonduktor/chip untuk pindah ke teknologi SIC.
Geely: Pada tahun 2021, Rohm Semiconductor dan Geely mengumumkan kolaborasi untuk mengembangkan perangkat daya sic. Di bawah kemitraan, Geely akan menggunakan perangkat daya SIC Rohm dalam inverter drive dan sistem pengisian daya di atas kapal, yang bertujuan untuk memperluas jangkauan kendaraan listriknya.
General Motors: Pada tahun 2021, General Motors menandatangani perjanjian pemasok dengan Wolfspeed, Inc., di mana Wolfspeed akan menyediakan perangkat daya sic untuk motor drive Ultium GM.
Mercedes-Benz: Pada tahun 2022, pada semikonduktor mengumumkan bahwa teknologi SiC-nya untuk inverter telah digunakan oleh Mercedes-Benz dalam kendaraan listrik EQXX penglihatan semua-listriknya.
Volkswagen: Pada bulan Januari 2023, Volkswagen mendirikan kemitraan strategis dengan Onsemi. Menurut perjanjian tersebut, Onsemi akan memberikan Volkswagen modul daya sic (modul daya elite) dan teknologi untuk kendaraan listrik generasi mendatang Volkswagen.
Total permintaan inverter global akan tumbuh dari 43,99 juta unit pada tahun 2023 menjadi 120 juta unit pada tahun 2034, dengan tingkat pertumbuhan tahunan gabungan sebesar 9,55%. Saat ini, inverter IGBT adalah jenis inverter yang paling banyak digunakan di semua jenis kendaraan listrik di seluruh dunia, diikuti oleh Si Mosfet. Namun, dengan meningkatnya permintaan untuk BEV dan pergeseran ke arsitektur 800V, permintaan untuk inverter SIC kemungkinan akan meningkat. Pada tahun 2034, pangsa pasar inverter SIC dan IGBT akan mencapai 44% dan 45%, masing -masing, hampir terbagi secara merata.
10. Kesimpulan
Ketika permintaan untuk peningkatan efisiensi dan rentang mengemudi yang diperluas terus berlanjut, industri otomotif akan menyaksikan mayoritas kendaraan listrik pembuat mobil beralih ke arsitektur 800V. Karena efisiensi switching yang tinggi dan kerugian rendah inverter SIC, permintaan akan kuat dan mereka akan diadopsi secara luas. Adopsi inverter SIC yang meluas akan menyebabkan banyak pembuat mobil dan pemasok untuk memilih untuk berintegrasi secara vertikal dengan perusahaan semikonduktor untuk mengamankan pasokan SIC.