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杏彩体育官网:别让你的充电桩输在“最后一圈”!
阅读量:12024-11-25 02:27:33来源:杏彩体育官网app 作者:杏彩体育官网app下载

  新能源汽车和汽车电子应用领域,碳化硅、氮化镓算是近年的“明星”,新基建政策更让充电桩成了今年的热搜“网

  红”。大功率、高频开关电源在新能源汽车“快充”应用中备受关注,然而,据了解,充电模块中的同样重要的磁性元件特别是变压器的创新反而滞后。

  电源工程师都知道,电源设计总是需要在体积、效率/散热和EMI等相互制约因素之间取得板级和系统级的平衡。变压器在充电器内部占据了相当大的空间,其体积又取决于开关管的开关频率。引入开关频率更高的SiC、GaN功率管,充电桩的变压器才能更小、更容易设计,并输出更大功率。

  大功率应用中,由于高频损耗和散热问题,传统变压器的构造难以提高工作频率,存在功率/频率之间的壁垒。

  为了让充电桩提速,现有快充桩只能使用多个变压器并联。这不仅需要增加相应配套元器件,而且,由于频率和功率越高,损耗就越大,应对散热管理和多变压器组装,充电桩必然做得更大。

  本文就为您简单介绍新能源充电桩行业和技术现状,并通过充电桩和车载充电的一些电源模块设计案例,介绍村田创新的变压器技术如何帮您领跑新能源汽车市场。

  新能源汽车充电桩曾被戏称为“过气明星”。2009年开始新建充电桩以来,国内充电基础设施已经累计过百万。然而,EV/HEV市场和技术却慢半拍;加上布局欠合理,投入成本高、回收期长,盈利模式单一,互联网经济期望高却始终难于“闭环”,种种因素的制约之下,有报道称充电桩的实际使用率只有15%。

  充电桩产业再次“爆红”,是因为2020年国家布局新基建,明确包括“推广新能源汽车,建设充电桩”。与十年前相比,再次站在风口浪尖上的充电桩被新基建赋予了“新”的含义。

  首先,国内十年互联网商业模式高歌猛进,无疑为新基建投资充电桩趟出一些似可借鉴的商业模式。据了解,现有百万充电设施硬件上已基本打通,未来的一个发展方向是实现数据共享,也就是说,新基建下的充电桩产业不仅扩大规模,还要被赋予智能概念和O2O市场潜力;另外,国内外追捧以充电为主题(甚至“免费”充电为噱头)的商业中心模式很火,在“土地”、“车位”稀缺的城市赋予充电桩新的“玩法”。

  其次,近几年新能源汽车的市场和技术有了较大的突破。2018年前国内新能源车续航里程不超过200公里的居多,而目前市场上新能源乘用车的电池容量则至少400公里起步;电动/混合动力汽车的电池制造能力也在快速扩展,导致电池成本显着降低;回馈到政策层面,更倾向绿色新能源的法规出台促使市场加速向汽车电气化过渡。

  水到渠成,现在新能源汽车市场对快充、甚至“超冲”技术有了切实需求,毕竟,充电桩设施的本质是“加油站”,实用、快速的充电解决方案成为电动汽车大规模部署的关键。

  交流(AC)充电桩:俗称“慢充”,其实只是个交流供电装置,附加一些供电控制或计费功能,负载通常几个kW。完成充电功能所借助的车载充电机功率不大,不能快速充电。

  直流(DC)充电桩:俗称“快充”,是固安装在车外的充电机,连接交流电网,输出直流电直接用于电动汽车的动力电池充电。负载50kW甚至更高。

  为了对标加油站体验,国外电动汽车行业提出了super-fast-charging的目标,8分钟充满100kWh(450miles)。对应充电桩的负载功率(考虑到一桩单枪、双枪、甚至一拖4等情况)可以高达240kW。

  直流充电系统(下图),将电网中低频交流电滤波整流成直流,再通过开关电源中的功率管,将整流得到的直流电“开关成”高频交流,然后经高频变压器,变压到合适的充电电压,整流滤波成合适的直流充电电流。

  直流充电系统中变压器是占空间最大的器件之一,并且影响到整个系统的散热设计。变压器的体积取决于开关管的开关频率。

  传统硅基MOS管开关频率较低,就必须配置更大的变压器。化合物半导体材料(如碳化硅或者氮化镓)的功率器件,在高速开关条件下仍然保持高效率;由于材料的宽禁带特性,SiC或GaN功率管还具有击穿电压高,功率更大,能耐高压,耐高温等优点;另外,这类材料的低导通电阻特性,产生的导通损耗更小,发热很低。

  第三代半导体被认为是未来功率器件发展的大方向,然而,在充电桩应用这类大功率直流转化器中,如果还是使用传统变压器构造,要么带来高频损耗和散热问题,工作频率很难提高,要么系统设计就不得不采取多个变压器以及复杂的散热管理。

  无论使用哪种传统变压器设计,由于相邻的载流导体浸没在彼此的磁场中,通过“邻近效应”产生损耗,很难达成结构紧凑单模块的高频功率磁性器件。这种“邻近效应”以及与传统结构相关的损耗,限制了小型化和大功率变压器可以工作的频率。

  更详细来说,Litz线是多股绝缘铜线绞合,即使能使用在中高频变压器中,大电流也容易过载。加上多股铜箔之间有空隙,每根Litz线绝缘层占用空间,股数太多时降低了空间利用率,直流损耗很大。

  扁铜带构造则不太适合高频,频率太高,趋肤效应更加明显。而且,扁铜带绕线十分不便,成本高,工艺难度大,寄生电容也会比较大;内层的铜箔散热就不太好了,层数很多,漏感大,临界效应越强,涡流很高。内部热难于散出去,容易形成热点,变压器结构很难用在高频。

  村田制作所的pdqb绕线技术,使用层叠构造,改进绕组之间的耦合,消除了邻近效应, 通过提高空间利用率减少了直流损耗,涡流损耗;传统的由内而外的结构,里面容易形成热点,由下而上层层相叠,每一层的散热效果相同,热量更容易散出去,从而实现了大功率变压器的高频率、高效率、小体积应用。

  损耗减小,功率提高,体积减小,提高了功率密度。村田创新的pdqb绕线kHz以上的高频变压器,甚至可在高达250kHz的频率下工作。并拥有99.5%效率,从而大大减小电源的体积,简化充电设施的设计和散热要求。

  突破“工作频率难于提高”这一壁垒,解决了EV/HEV、智能电网、工业逆变器、轨道交通、再生能源等领域迫切需要解决的难题,特别是帮助新能源汽车充电桩应用跑好“最后一圈”。

  村田大功率高频变压器可在高达250kHz的频率下工作。主要是因为使用创新的pdqb绕线结构,消除了传统制造技术的限制。这种绕线技术的特征是:

  磁性元件,包括电感、变压器,经常因为客户的应用条件不同,需要通过定制才能取得高效率。村田在车载功率磁性器件方面,有着很强的客户定制能力。创新的结构设计、绕线方式以及相应的灌封工艺,能够帮助客户在产品的效率和尺寸方面带来很大的提高。除了新能源汽车直流快充桩,也广泛应用在车载电子中。

  在体积不增加的条件下, 电气间隙和爬电距离分别增加到6.4/10.3mm,可以满足 800V EV 的要求

  如果您有高频大功率变压器和磁性元件定制需求,或希望了解更多有关村田制作所的pdqb技术,请通过下方业务咨询二维码联系村田。

  株式会社村田制作所是一家进行基于陶瓷的无源电子元件与解决方案、通信模块和电源模块之设计、制造与销售的全球领先企业。村田致力于开发先进的电子材料以及领先的多功能和高密度模块。公司的员工和制造基地遍布世界各地。

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