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电动汽车:充电电池,燃料电池,谁更有前景?(附燃料电池汽车主要核心总成介绍)

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电动汽车:充电电池,燃料电池,谁更有前景?(附燃料电池汽车主要核心总成介绍)

 2018年2月3日

新能源汽车取代传统燃油汽车是发展趋势,但究竟充电电池汽车还是燃料电池汽车更具市场前景?在基础设施投资方面哪种更具竞争力?目前尚无定论。德国尤利希研究中心1月30日发表的一份报告显示,两种技术基础设施的成本在很大程度上取决于需要供电的车辆数量。如按数百万辆车计算,氢燃料电池汽车的基础设施建设成本相对更便宜。

报告作者之一、尤利希研究中心能源与气候研究所专家马丁·鲁比尼斯认为,充电电池和燃料电池两种技术目前仍处于市场发育阶段,因此事先评估未来基础设施的投资成本很有必要,不至于盲目发展,陷入技术死胡同,在条件变化时无法改变。

目前大部分专家倾向于充电电池,理由很简单,因为电网是现成的,只需要建设一定数量的充电站,而且效率高,充电过程也令人觉得更可靠。而氢燃料电池的大部分基础设施必须从头建起,通过多余风能来电解水制氢,还需要一个较为复杂的装置,包括氢燃料的储存、运输,再分配到加氢站等一系列过程。

尤利希的专家分析了这两种技术的应用情景,发现投资回报能力取决于有多少充电电池或燃料电池汽车在路上行驶。如果车辆数量仅有数十万,充电电池汽车的基础设施投资成本显然比燃料电池要低,投资回报率高;而当车辆达到数百万辆时,氢燃料电池汽车的投资成本比充电电池要低,投资回报率更高。以2000万辆电动汽车为例,充电电池汽车需510亿欧元,氢燃料电池汽车为400亿欧元。1000万辆车是两种技术基础设施投资成本的平衡点。

环境效益也与路面行驶的新能源车数量有关。由于能源转化的方式不同,两种技术碳排放情况也各不相同。以2000万辆车为例,充电电池汽车平均每公里排放量为20.9克,而燃料电池汽车为2.7克。

FCV燃料电池电动汽车主要核心总成:

FC Stack

数百个电池堆叠起来,形成一个小型发电厂。

燃料电池(FC)堆是通过使用空气中的氢和氧之间的化学反应来发电的发电装置。向负极(阳极)供给氢,向正极(阴极)供给空气(氧),在电解的相反的反应中发电。 FC堆栈包括数百个称为单元的堆叠组件。每个电池由膜电极组件(MEA)组成,膜电极组件是在两侧(电极)上涂覆有催化剂的固体聚合物电解质膜,夹在分离器之间。单个电池的电压小于1V,因此,通过串联堆叠数百个电池来增加电压。电池以这种方式堆叠以形成单个FC堆叠,也被称为燃料电池堆(“燃料电池”通常指FC堆或燃料电池堆)。
Mirai FC堆叠的电池流道结构和电极的创新产生了3.1 kW / L的功率密度,处于世界最高水平。这使得FC堆叠体的小型化,使得可以将FC堆叠体安装在轿车的地板下方并且创建宽敞的车辆内部。

FC Boost Converter

FC升压转换器
提高氢气和空气(氧气)产生的电力。

FC升压转换器是用于在较高电压(约650V)下升高由燃料电池产生的电力的装置。 丰田开发了一款高容量FC升压转换器。 这使得在使用与当前大量生产混合设备相同的电机,逆变器和其他组件的同时,可以减少FC堆叠中的电池数量,从而显着降低成本并提高可靠性。 此外,电压提升控制和外壳结构的创新提供了非常安静的操作。

IGBT模块搭载于电源转换机器上,是一种有助于实现节能及电力稳定供给的关键元件。近年来,对于工业机器的节能、设备/机器的小型化/省空间化以及高可靠性的需求愈发强烈。

针对这种需求,FUJI富士电机开发出了第7代“X系列”的IGBT模块产品。

威柏电子是电力电子产品专业供应商,主要产品为FUJI富士IGBT模块,FUJI富士IPM模块,IGBT驱动器,功率薄膜电容等核心功率器件,全面服务于中国工业节能及新能源产业。凭借优质的产品及专业的服务,深得客户信赖,成为中国电力电子市场重要的供应商之一。2012年威柏电子荣获富士电机最佳销售金奖(暨富士最大代理商奖)WESTPAC ELECTRonICS won gold award from FUJI ELECTRIC(CHINA)威柏电子荣获富士电机半导体最佳销售金奖(暨富士电机半导体最大代理商奖)

功率控制单元

Power Control Unit

燃料电池汽车的大脑,熟练地控制电力。

电力控制单元转换AC / DC电力并适当调整电压。 Mirai功率控制单元由一个逆变器,一个升压转换器和一个DC / DC转换器组成。在所有操作条件下,该设备都能精确控制FC堆栈输出和电池充电和放电。
混合动力车辆和插电式混合动力车辆使用相同的动力控制单元。
电源控制单元
逆变器

转换电力并将其从FC堆栈和电池提供给电机。

电动机不能直接连接到电池上运行。逆变器将从电池供应的直流电转换为交流电来转动电动机。相反,它将减速时由电动机产生的交流电转换成直流电给蓄电池充电。直接冷却功率元件的双侧冷却,提高了冷却效率,使逆变器小型化和轻量化成为可能。

延伸阅读:

  • FUJI富士电动汽车EV, HEV用IGBT(兼容6MBI800XV-075V-01)损耗模拟软件

  • 文件类型:exe

  • 文件版本:Software (Ver.6.1.2)

  • 简要说明:

  • 更新时间:2018-02-02 09:19:48

  • 文件下载:点击下载

  • 文件描述:FUJI富士电动汽车EV, HEV用IGBT(兼容6MBI800XV-075V-01)损耗模拟软件

使用(下载)软件

EV和HEV的第6版仿真系统是用于计算三相PWM逆变器电路和斩波器电路中使用的IGBT模块产生的损耗和温度升高的软件应用程序。 (可能需要下载.NET Framework。)

请使用Windows 7或更高版本。

使用说明请联系技术团队:

技术团队

Westpac威柏应用技术支持团队威柏电子有限公司|深圳市威柏德电子有限公司Westpac威柏技术支持总监:王鹏 手机:15989854023 电话:027-8705 4728 电子邮件:JerryWang@westpac-hk.com.hk

6.1.1版

·兼容6MBI800XV-075V-01

富士IGBT模拟器的特点

1.提高了损失计算的准确性

2.计算2级电路和斩波电路

3.支持多种PWM控制方式。

4.通过指定温度条件进行计算

5.参数扫描计算

6.加载循环计算(循环模式/单次模式)

7.启用周期数据采样数量的配置

8.将计算结果输出到文本文件。

9.支持英文/中文/日文

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杨雪 手机:15921956358 电话:021-54891461
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升压转换器

控制电压并提升低电压。

升压转换器通过调节电池的电压来控制充电和放电。它根据需要无级地将正常的大约250 V DC电源电压增加到最大650 V DC。这意味着可以从小电流产生更多的功率,从高输出电机带来高性能,从而提高整体功率控制单元的效率。

延伸阅读:

富士电机SiC器件具有出色的特性,能够实现高耐压、低功耗、高频动作和高温动作。使用SiC的功率半导体能够实现大幅节能和安装产品的小型化、轻量化。

特长

搭载SiC-SBD的IGBT混合模块V系列

适用高性能芯片

  • 低损耗的V系列IGBT

  • 低损耗的SiC-SBD

兼容旧款Si-IGBT模块产品封装

SiC肖特基势垒二极管

高速开关损耗特性

  • 高频工作电源、系统的小型轻量化

低VF特性

低IR特性

  • Tj=175°C、电源可在高温下动作、低损耗、高效率

高反向浪涌耐量

PACKAGEIC1200V1700V
IGBT HYBRID MODULES WITH SIC-SBD V SERIES



M274
200A2MSI200VAB-120-53

M276
300A2MSI300VAH-120C-53

M277
400A
2MSI400VAE-170-53

M254
300A2MSI300VAN-120-53 
450A2MSI450VAN-120-53 2MSI450VAN-170-53 
550A
2MSI550VAN-170-53 
600A2MSI600VAN-120-53 


M278
1200A
2MSI1200VAT-170PC

2MSI1200VAT-170EC

DC / DC转换器

准确地降低电压,使电力可用于驾驶以外的应用。

DC / DC转换器降低高压电池的电源电压。它将电池的大约250 V直流电源电压降至12 V DC,供发动机辅助系统(辅助FC系统操作)和电子设备(如大灯)使用。

FUJI富士车载IGBT模块 M653 6MBI800XV-075V-01应用手册中文版

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1.车载 IGBT 模块的基本概念
 近年来,考虑到对环境的影响,全球都在探求降低二氧化碳排放量的方法。为了降低二氧化碳排放
量,汽车领域正在普及混合动力汽车(HEV)和电动汽车(EV)。HEV和EV将高压蓄电池中储存的直流电通
过电力转换装置转换为交流,驱动行驶用电机,而该电力转换装置主要使用IGBT模块。由于需要在汽车
的有限空间内安装高压蓄电池、电力转换装置、电机等,因此,电力转换装置中使用的IGBT模块要尽可
能实现小型化。
在此背景下,以“小型化”为基本概念开发了富士电机车载IGBT模块。
图1-1所示为IGBT模块的基本市场需求。对IGBT模块的基本市场需求为提高性能和可靠性、降低环境
压力。性能、环境、可靠性的各种特性相互关联,因此,为了实现IGBT模块的“小型化”,对这些特性
进行均衡改进是非常重要的。
本次开发的车载IGBT模块,通过采用(i)带水套的第3代直接水冷结构、(ii)第7代RC-IGBT芯片、(iii)高
强度焊接材料,最大限度地发挥了性能、可靠性、环境的各种特性。另外,通过电流传感器和温度传感
器这两个集成在芯片上的传感器实现了高可靠性,通过P电压监视端子也能够良好的进行蓄电池电压对
应的电力控制等控制。
*1)RC-IGBT:Reverse Conducting Insulated Gate Bipolar Transistor

2.直接水冷结构
新开发的车载IGBT模块,通过采用第3代直接水冷结构,大幅降低了热阻。与间接冷却系统相比,第
1代直接水冷系统降低了33%的热阻,并且,第3代冷却系统中散热片和水套实现了一体化,进一步降低
了超过30%的热阻。此系统的概念是,不仅仅降低热阻性能,还可取消水路设计。同时,采用法兰类型
的水路连接,使得电机和控制模块的水路连接设计更加简单。
图1-2所示为本次新开发的车载IGBT模块的外观。
图1-3 所示为第1代和第3代的稳态热阻比较。第3代冷却系统中,无间隙冷却设计加快了散热片之间
的冷却液流动速度,其结果就是降低了30%的热阻

3.第 7 代 RC-IGBT 芯片的特征
  新开发的车载IGBT模块(6MBI800XV-075V)中,采用750V额定的“X 系列”RC-IGBT。X系列的
RC-IGBT通过对场截止(FS)结构的优化降低了导通电压和开关损耗。另外,通过对沟槽栅极结构的优
化,提高了开关速度的可控性。
如下图所示,RC-IGBT为在同一芯片上配置了条状结构的IGBT和FWD。
与传统IGBT相比,RC-IGBT的特征是VCE(sat)–Eoff性能优越。如以下示意图所示,将芯片下方的IGBT
集电极(P+层)和FWD的负极(N+层)连接形成的共集电极结构,使得关断动作期间,电子和空穴很容易
进行迁移,与传统产品相比,降低了关断损耗。

如下图所示,由于是在芯片上交替配置IGBT和FWD部分,各部分的损耗产生的热量会从整个芯片表面
释放出来,因此,与传统产品相比,降低了热阻。尤其是堵转模式、升压整流、短路动作时效果显著。
堵转模式时,由于RC-IGBT具有较大的散热区域,因此可显著抑制发热,但是另一方面,也存在一点
缺点,在三相运行中,IGBT和FWD部分之间由于热干涉产生温度上升。

4.集成芯片传感器
如图1-8所示,电流传感器、温度传感器和IGBT芯片集成于一个芯片上,通过外接分路电阻器和电流
源,可以分别监视电流和Tj

5.采用高强度焊接材料
与工业用半导体和民用半导体相比,汽车用半导体多在恶劣的环境下使用,因此需要有较高的可靠
性。特别是因温度循环产生的应力导致连接绝缘基板和散热底座的焊接部分出现裂痕后,将会引起热阻
上升和芯片异常发热,导致IGBT模块损坏。与使用传统SnAg系列焊锡时相比,富士电机车载IGBT模块
中采用新开发的SnSb系列焊锡,显著抑制了裂痕扩展