소개
최근 몇 년 동안 새로운 에너지 차량은 전 세계 주요 주류 자동차 시장에서 큰 진전을 보였습니다. 유럽 자동차 제조업체 협회 ACEA의 데이터에 따르면, 2023 년 1 월부터 10 월까지 EU 국가의 새로운 에너지 차량 (BEV+ PHEV)의 누적 등록량약 1,940 만 명이었습니다. 단위, 전년 대비 약 32%증가 및 20%이상의 침투율; 중국 여객기 협회 (China Cardenger Car Association)가 발표 한 자료에 따르면, 같은 기간에 중국의 새로운 에너지 차량 소매 판매는 5 억 9,600 만 대, 전년 대비 34.7%증가, 침투율 34.5%에 도달했습니다.
시장의 확장과 관련 산업 체인의 만기로 인해 새로운 에너지 차량은 정책 중심에서 제품 중심으로 오랫동안 변경되었습니다. 최근 몇 년간 새로운 Energy Electric Vehicle 제품으로 인해 자율 주행, 지능형 조종석, 순항 범위 및 전기 구동 시스템 성능 측면에서 크게 개선되었음을 알 수 있습니다.
메인 드라이브 인버터는 메인 드라이브 모터를 제어하기위한 핵심 구성 요소입니다. 배터리 팩의 DC 전원을 드라이브 모터의 AC 전원으로 변환합니다. 전환 효율은 차량의 에너지 소비 성능을 크게 결정합니다. 동시에, 고성능 메인 드라이브 모터와 결합 된 메인 드라이브 인버터의 피크 전력도 차량의 전반적인 성능을 결정합니다.
전기 자동차 전력 인버터 란 무엇입니까?
전기 자동차 파워 인버터는 직류 (예 : 배터리 및 보관 병으로 생성)을 조정 가능한 주파수를 갖는 교대 전류 (220V, 50Hz 사인파)로 변환하는 장치입니다. 생명에 사용되는 두 가지 유형의 파워 소켓은 220v/110v입니다. 교대 전류를 저장할 방법은 없지만 배터리에 직류를 저장 한 다음 인버터를 사용하여 AC를 DC로 변환 할 수 있습니다. 새로운 에너지 전력의 고전압과 높은 전력으로 인해전기 모터, 브러시 통근자가 필요없는 AC 모터는 더 높은 효율과 더 긴 수명을 고려하여 사용됩니다. 교대 전류를 통해 고정자상에서 회전 자기장을 생성 할 수 있으며, 브러시 통근 기의 제약을 제거하고 회전 자기장의 작용 하에서 필요한 속도와 토크에 도달하도록 로터를 구동합니다. 에너지 변환 장치 인 전력 모터 인버터는 전력 배터리의 고전압 직류를 전력 모터에 필요한 교대 전류로 변환합니다.
3. 인버터는 전기 자동차에서 어떻게 작동합니까?
전기 자동차 파워 인버터의 작동 원리
동시에, 교대 전류를 통해 전력 모터 인버터에 의해 생성 된 회전 자기장은 로터의 영구 자기장과 정확하게 동기화되거나 로터의 유도 자기장과 제어 할 수 없을 정도로 비동기 동기화되어야한다. 로터 위치 센서는 전원 모터 인버터의 안정적인 작동의 핵심입니다. 로터 위치 센서는 로터리 변압기의 원리를 기반으로하며 고정자에 고정 된 다중 유도 코일과 로터에 고정 된 금속 캠 디스크로 구성됩니다. 각 유도 코일에는 여기 와인딩과 2 개의 2 차 권선이 있습니다.
4. 전기 자동차 전력 인버터의 주요 기능
인버터에는 전기 자동차에 세 가지 주요 기능이 있습니다.
1. 배터리의 DC 전원을 3 단계 AC 전원으로 변환하여 모터를 구동하십시오.
2. 인버터를 통해 전압과 주파수를 변경하여 모터의 토크와 속도를 변경하십시오.
3. 기계적 에너지를 전기 에너지로 변환하여 에너지 회복 중에 배터리를 충전합니다.
전기 자동차의 AC 유도 모터
하이브리드 및 순수한 전기 자동차에서 Tesla, Toyota Corolla Hybrid 및 Baic EV160과 같은 모델에서 볼 수 있듯이 인버터는 일반적으로 사용됩니다. 전기 자동차에 사용되는 전기 모터는 AC 전력에 의해 구동됩니다. AC 전력의 주파수와 진폭을 변경함으로써 모터의 속도와 전력을 조정할 수 있습니다. 구동 전압의 주파수가 높을수록 모터의 속도가 빨라지고 구동 전압의 진폭이 클수록 모터의 전력이 강해집니다. 그러나 AC 전원을 저장하는 방법은 없습니다. 새로운 에너지 차량의 배터리는 AC 모터를 구동하는 데 직접 사용할 수없는 DC 파워를 저장합니다. 따라서 자동차 배터리 팩의 DC 전원을 모터에서 사용할 수있는 AC 전원으로 변환하려면 변환기가 필요합니다.
차량 인버터 전원 공급 장치 설계에는 두 가지 주요 사항이 있습니다. 하나는 배터리 전압을 220V로 늘리고 다른 하나는 주파수가 50Hz 여야한다는 것입니다. 전압을 12V에서 220V로 늘리려면 헬리콥터 회로가 사용됩니다. Boost Chopper 회로는이를 달성하는 데 사용됩니다. 출력 전압은 입력 전압보다 훨씬 높기 때문에 부스트 계수는 약 18입니다. 부스트 회로의 작동 원리에서 듀티 사이클이 약 0.95임을 쉽게 알 수 있습니다. 이론적으로 실현 가능하지만 부스트 회로는 실제로 구현하기가 어렵습니다. 따라서 변압기의 도움으로 부스트를 달성해야합니다. 변압기가 산업 주파수 변압기를 사용하는 경우, 출력 전력이 동일 할 때 부피와 무게가 고주파 변압기의 부피와 무게보다 훨씬 커질 것입니다. 따라서 고주파 변압기와 고주파 변환 회로가 사용됩니다. 고주파 변압기의 도움으로 12V 전압은 220V로 변환되며 출력 주파수는 또한 고주파이어야합니다. 220V 주 전기를 사용하는 많은 전기 장치는 고주파 220V AC와 함께 직접 사용할 수 없습니다. 고주파 DC 전력을 50Hz AC로 변환하려면 추가 전환이 필요합니다. 전체 구조에서 설계된 회로에는 두 부분이 있습니다. 첫 번째 부분에는 고주파 변압기와 해당 변환 회로의 도움으로 12V DC를 220V 고주파 AC로 변환하고 두 번째 부분은 고주파 220V AC를 변환합니다. 50Hz 220V AC.
5. 전기 자동차 파워 인버터의 이점
순수한 전기 자동차의 인버터는 모터 컨트롤러 (MCU)에 있습니다. 인버터 외에도 MCU에 컨트롤러가 결합되어 있습니다. MCU는 전체 전원 시스템의 제어 센터입니다. 컨트롤러는 구동 모터의 수요 신호를 수신합니다. 차량이 브레이크 또는 가속화되면 컨트롤러는 인버터의 주파수를 제어하여 자동차를 움직입니다. 인버터는 전력 배터리에 의해 DC 전력 출력을 수신하고, 3 상 AC 전원으로 반전되어 작동을 위해 모터에이를 제공하며 전기 자동차의 제동 공정에서 제동 및 전기 에너지를 회복하는 역할을합니다. 아래 그림과 같이 인버터는 6 개의 IGBT로 구성되며 X 모델 배열은 SA-SC입니다. 모터의 각 위상 출력 라인 (IA, IB 및 IC) 및 양수 및 음성 DC 라인은 IGBT에 연결됩니다. 인버터의 스위칭 요소 IGBT는 온도가 150도를 초과 할 때 작동 할 수 없으므로 공기 냉각 또는 수냉식 조치를 사용해야합니다. 자동차가 드라이브 모터의 과열, 구동 모터 냉각수 온도의 과열과 같은 구동 모터 시스템 결함을보고하면 결함 코드의 특정 의미를 읽기 위해 진단 기기를 사용해야합니다. 대시 보드에 표시되는 것은 그다지 구체적이지 않습니다.
6. 차량을 넘어서 : 기타 응용 분야
인버터의 적용은 매우 광범위하며 여러 필드 및 특정 응용 프로그램 시나리오를 다룹니다. 다음은 주요 인버터 응용 영역 중 일부입니다 : 태양 광 발전 시스템, 태양 발전, 풍력 발전, UPS 시스템, 항공 분야 등.
7. 전기 자동차 전력 인버터 기술의 신흥 동향
전기 자동차의 메인 드라이브 (메인) 인버터는 DC 배터리 전압을 AC 전압으로 변환하여 전기 트랙션 모터의 AC 전압 요구 사항을 충족시켜 차량을 부드럽게 구동 할 수 있습니다. 메인 드라이브 인버터 설계의 최신 트렌드에는 다음이 포함됩니다.
전력 증가 : 인버터의 전력 출력이 클수록 차량이 더 빨리 가속화되고 운전자에게 더 반응이 높습니다.
효율성 최대화 : 인버터가 소비하는 전기의 양을 최소화하여 차량을 운전하는 데 사용할 수있는 전력을 증가시킵니다.
전압 증가 : 최근까지 400V 배터리가 전기 자동차에서 가장 일반적인 사양 이었지만 자동차 산업은 800V로 이동하여 현재 케이블 두께 및 무게를 줄입니다. 이를 위해 전기 자동차의 메인 드라이브 인버터는이 더 높은 전압을 처리하고 적합한 구성 요소를 사용할 수 있어야합니다.
무게와 크기 감소 : SIC는 실리콘 기반 IGBT보다 더 높은 전력 밀도 (kW/kg)를 갖습니다. 전력 밀도가 높을수록 시스템 크기 (kW/L)를 줄여 메인 드라이브 인버터의 무게를 줄이면서 모터의 하중을 줄입니다. 차량 무게가 줄어들면 차량의 마일리지를 동일한 배터리로 확장하는 동시에 구동선의 크기를 줄이고 승객과 트렁크를위한 가용 공간이 증가하는 데 도움이됩니다.
실리콘과 비교할 때 실리콘 카바이드는 재료 특성 측면에서 몇 가지 장점이있어 메인 드라이브 인버터 설계에 더 나은 선택이됩니다. 첫 번째는 9.5 Mohs 경도에 도달하는 신체 경도이며, 실리콘은 6.5 Mohs 경도이므로 실리콘 카바이드는 고압 소결에 더 적합하고 기계적 무결성이 더 높습니다. 또한, 실리콘 카바이드 (4.9W/cm.K)의 열전도율은 실리콘 (1.15 w/cm.k)의 4 배 이상이므로 더 효과적으로 열을 전달하고 더 높은 온도에서 안정적으로 작동 할 수 있습니다. 실리콘 카바이드 (2500kv/cm)의 파괴 전압은 실리콘 (300kv/cm)의 8 배 이상이며, 더 빨리 켜지거나 끄는 넓은 밴드 갭 특성을 가지므로 점점 더 높은 전압을 더 잘 선택할 수 있습니다. (800V) 전기 자동차의 건축. 동시에, 더 넓은 밴드 갭 전압은 실리콘보다 손실이 낮다는 것을 의미합니다. SIC-MOSFET에는 꼬리 전류가없고 높은 캐리어 이동성이 없으며 장치 스위칭 손실을 줄입니다. SI-IGBT 모듈은 빠른 복구 다이오드 (FRD)를 통합하여 꺼질 때 리버스 복구 전류 및 꼬리 전류를 갖게되므로 스위칭 속도가 제한되어 있으며 삭제 손실이 크게 제한됩니다. SIC 재료는 전류 밀도가 높고 동일한 전력 레벨에서 더 작은 패키지 크기를 갖습니다.
8. 전기 자동차 파워 인버터 개발 문제
트랙션 인버터에서 마이크로 컨트롤러 (MCU)는 시스템의 뇌, 아날로그-디지털 변환기 (ADC)를 통한 모터 제어, 샘플링 전압 및 전류, 자기 코어를 사용한 필드 지향 제어 (FOC) 알고리즘 및 구동 전력 필드 효과 트랜지스터 (FET)를 통해 전류입니다. PWM (Pulse-Width Modulation) 신호 사용.
MCU의 경우 800V 트랙션 인버터로의 전환은 다음과 같은 세 가지 과제를 가져옵니다. 1. 지연 시간이 낮은 실시간 제어 성능 요구 사항 2. 기능 안전 요구 사항 증가 3. 시스템 실패에 신속하게 응답해야합니다.
고온 환경에서도 우리의 솔루션은 여전히 효과적이므로 소규모 인버터의 적용을 가능하게합니다. 현재 전기 및 하이브리드 차량의 설계에서 제조업체는 전문 지식 및 경험으로 에너지 지구력, 전력, 신뢰성 및 비용 효율성과 같은 문제를 효과적으로 해결했으며 업계에서 널리 인정되었습니다.
우리는 배터리 팩 개발 분야에서 OEM의 여러 선임 엔지니어들과 논의했으며, 전기 자동차의 최적 운전 범위는 약 400km이며 크기와 무게를 줄이면 전기 자동차가 더 효율적 일 수 있습니다. 이 견해를 바탕으로 OEM은 의식적으로 자동차를 더 가볍고 비용 효율적으로 만들기 위해 배터리 수를 줄입니다.
더 많은 전기 자동차가 생산됨에 따라 설계 트렌드는 SIC 및 800V 기술로 전환되며 모터 제어 성능을 향상시키고 트랙션 인버터의 기능적 안전 요구 사항을 충족시켜야합니다.
9. 전기 자동차 전력 인버터에 대한 미래 전망
일부 자동차 제조업체는 SIC 기술로 이동하기 위해 반도체/칩 공급 업체와 파트너십을 구축하고 있습니다.
게리 : 2021 년에 Rohm Semiconductor와 Geely는 SIC 전원 장치 개발을위한 협업을 발표했습니다. 파트너십에 따라 Geely는 드라이브 인버터 및 온보드 충전 시스템에 ROHM의 SIC 전원 장치를 사용하여 전기 자동차의 범위를 확장하는 것을 목표로합니다.
General Motors : 2021 년에 General Motors는 Wolfspeed, Inc.와 공급 업체 계약을 체결하여 Wolfspeed가 GM의 Ultium Drive Motors에 SIC 전원 장치를 제공 할 것입니다.
Mercedes-Benz : 2022 년에 반도체에 대한 SIC 기술은 Mercedes-Benz가 모든 전기 비전 EQXX 전기 자동차에서 사용했다고 발표했습니다.
볼크스 바겐 : 2023 년 1 월, 폭스 바겐은 Onsemi와 전략적 파트너십을 맺었습니다. 이번 계약에 따르면, Onsemi는 폭스 바겐에 SIC 전력 모듈 (엘리트 전력 모듈)과 폭스 바겐의 차세대 전기 자동차를위한 기술을 제공 할 것입니다.
총 글로벌 인버터 수요는 2023 년 4,399 만 대에서 2034 년에 1 억 2 천만대로 증가 할 것이며, 연간 성장률은 9.55%입니다. 현재 IGBT 인버터는 전 세계 모든 유형의 전기 자동차에서 가장 널리 사용되는 인버터 유형이며 SI MOSFET이 뒤 따릅니다. 그러나 BEV에 대한 수요가 증가하고 800V 아키텍처로의 전환으로 인해 SIC 인버터에 대한 수요가 증가 할 것입니다. 2034 년까지 SIC 및 IGBT 인버터의 시장 점유율은 각각 44%와 45%에 도달하여 거의 균등하게 분할되었습니다.
10. 결론
효율성 향상 및 확장 된 운전 범위에 대한 수요가 계속됨에 따라 자동차 산업은 대다수의 자동차 제조업체 전기 자동차가 800V 아키텍처로 전환 할 것입니다. SIC 인버터의 높은 스위칭 효율과 낮은 손실로 인해 수요는 강력하고 널리 채택 될 것입니다. SIC 인버터의 광범위한 채택은 많은 자동차 제조업체와 공급 업체가 SIC의 공급을 확보하기 위해 반도체 회사와 세로 통합하도록 선택할 것입니다.