用于 EV 充電應(yīng)用的測(cè)試設(shè)備應(yīng)運(yùn)而生

電源管理和電池技術(shù)正在通過(guò)針對(duì)不斷增長(zhǎng)的電動(dòng)汽車(chē)行業(yè)的更高效和靈活的設(shè)計(jì)而發(fā)展。因此，相關(guān)的測(cè)試和測(cè)量系統(tǒng)必須滿足更嚴(yán)格的技術(shù)要求。

考慮到這一點(diǎn)，是德科技最近推出了SL1200A系列 Scienlab 再生三相交流仿真器，適用于電動(dòng)汽車(chē)和供電設(shè)備 (EVSE) 充電和電網(wǎng)應(yīng)用。該系統(tǒng)由硬件、軟件和支持服務(wù)組成。

是德科技高管強(qiáng)調(diào)了用于驗(yàn)證日益復(fù)雜的電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)可靠性的電動(dòng)汽車(chē)測(cè)試系統(tǒng)的重要性。重點(diǎn)包括充電接口和電動(dòng)汽車(chē)供電設(shè)備以及電網(wǎng)邊緣電源轉(zhuǎn)換器。

SL1200A 系列的便攜式和大功率版本旨在滿足用戶不斷增長(zhǎng)的 EV 測(cè)試和測(cè)量需求。目的是模擬現(xiàn)實(shí)世界的充電場(chǎng)景以及滿足全球電動(dòng)汽車(chē)充電標(biāo)準(zhǔn)的能力。

是德科技高管強(qiáng)調(diào)了能夠證明 EV 動(dòng)力總成可靠性的測(cè)試系統(tǒng)的重要性。

預(yù)計(jì)電動(dòng)汽車(chē)充電將對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生巨大需求。與此同時(shí)，通過(guò)車(chē)輛到電網(wǎng)的電力應(yīng)用，儲(chǔ)能機(jī)會(huì)正在出現(xiàn)?？稍偕茉磳⑼苿?dòng)這一轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致電網(wǎng)復(fù)雜性增加。這在推出充電應(yīng)用程序時(shí)帶來(lái)了新的測(cè)試挑戰(zhàn)。

性能、設(shè)計(jì)指標(biāo)

電動(dòng)汽車(chē)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵性能指標(biāo)側(cè)重于電池和推進(jìn)系統(tǒng)。設(shè)計(jì)參數(shù)包括功率水平、轉(zhuǎn)換效率、車(chē)輛動(dòng)力系統(tǒng)的工作溫度以及散熱能力和系統(tǒng)封裝。

EV 系統(tǒng)必須適應(yīng)高壓測(cè)量（1,000 V 及更高），以確保安全、可靠的運(yùn)行。現(xiàn)實(shí)世界的駕駛條件對(duì)系統(tǒng)測(cè)試人員提出了最大的挑戰(zhàn)。惡劣環(huán)境范圍為 -30 °C 至 +60°C。

是德科技汽車(chē)和能源解決方案業(yè)務(wù)部“雙脈沖測(cè)試設(shè)備”的 Kevin Cavell 表示： “在組件層面，寬禁帶半導(dǎo)體用于 EV 內(nèi)部的不同電源轉(zhuǎn)換器，以及 EVSE”和并網(wǎng)逆變器這里需要。WBG 建模和電路仿真也是一種有價(jià)值的工具。”

電池測(cè)試從電池分級(jí)開(kāi)始。是德科技營(yíng)銷(xiāo)專家 Julian Tomczyk 表示：“需要大批量生產(chǎn)才能為電動(dòng)汽車(chē)提供大量電池。”

“需要這種制造設(shè)備來(lái)對(duì)電池進(jìn)行初始充電/放電[或電池形成]，然后根據(jù)質(zhì)量對(duì)電池進(jìn)行分級(jí)。雖然大多數(shù)分級(jí)可以在幾分鐘內(nèi)完成，但在電池老化過(guò)程中測(cè)量自放電是一項(xiàng)耗時(shí)的測(cè)試，需要很多天，會(huì)在老化過(guò)程中產(chǎn)生大量的在制品庫(kù)存，”Tomczyk 補(bǔ)充道。

為了幫助降低庫(kù)存成本，是德科技聲稱其工具有助于將自放電測(cè)量時(shí)間從幾天縮短到幾小時(shí)，從而在加快電池分級(jí)的同時(shí)減少老化。

一旦電池被制造、老化和分級(jí)，它們就會(huì)被組裝成一個(gè)電池。根據(jù)電壓和功率要求，單個(gè)電池可能包含數(shù)千個(gè)電池。“電池管理系統(tǒng)已經(jīng)到位，以監(jiān)控電池中每個(gè)電池的健康狀況。在這個(gè)階段也需要測(cè)試和測(cè)量設(shè)備，以測(cè)試[管理系統(tǒng)]和整個(gè)電池組，”Tomczyk 說(shuō)。

變頻驅(qū)動(dòng)器 (VFD) 將來(lái)自電池的直流電轉(zhuǎn)換為用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)的變頻交流電。模擬直流側(cè)需要能夠提供數(shù)百千瓦功率的大型電源；需要機(jī)器仿真器來(lái)重現(xiàn)電機(jī)以包圍被測(cè)設(shè)備。這些儀器可以在多種情況下運(yùn)行 VFD，同時(shí)測(cè)量輸入和輸出功率以計(jì)算功率轉(zhuǎn)換效率。

寬帶隙器件

是德科技聲稱，使用 WBG 半導(dǎo)體可產(chǎn)生超過(guò) 95% 的潛在效率，大大擴(kuò)展范圍。

功率轉(zhuǎn)換器是利用可再生能源進(jìn)行運(yùn)輸和工業(yè)應(yīng)用的關(guān)鍵組件。為了促進(jìn)功率轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)所需的進(jìn)步，可以選擇基于碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 的新型 WBG 半導(dǎo)體技術(shù)。

與硅和 GaAs 半導(dǎo)體相比，更寬的帶隙轉(zhuǎn)化為更高的擊穿電壓和在高溫下工作的可能性，同時(shí)降低輻射敏感性而不損失電氣特性。

隨著溫度的升高，價(jià)帶中電子的熱能也會(huì)增加，直到它們達(dá)到必要的能量（在一定溫度下）以躍遷到導(dǎo)帶。在硅的情況下，這個(gè)溫度約為 150°C。對(duì)于 WBG 設(shè)備，這些值要高得多。

WBG 半導(dǎo)體提供比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)快 100 倍的性能提升以及更高的電壓和熱操作。這些屬性轉(zhuǎn)化為提高效率、減小尺寸和成本?！叭欢聦?shí)證明，由于在表征 WBG 半導(dǎo)體時(shí)存在許多新挑戰(zhàn)，因此產(chǎn)生的高性能電源轉(zhuǎn)換器難以設(shè)計(jì)，”卡維爾說(shuō)。

這些障礙減緩了新轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)。是德科技表示，由于商用系統(tǒng)供不應(yīng)求，因此使用本土測(cè)試系統(tǒng)來(lái)表征 WBG 半導(dǎo)體。

“不幸的是，使用一次性的國(guó)產(chǎn)測(cè)試儀很難產(chǎn)生可重復(fù)且可靠的測(cè)量結(jié)果，”Tomczyk 補(bǔ)充道。“在將測(cè)量結(jié)果與半導(dǎo)體數(shù)據(jù)表關(guān)聯(lián)起來(lái)時(shí)，不可靠的結(jié)果會(huì)給電源轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)人員帶來(lái)額外的障礙。”

是德科技將其 PD1500A 動(dòng)態(tài)功率器件分析儀編程為可靠表征 WBG 半導(dǎo)體的平臺(tái)。該公司表示，其分析儀是與芯片制造商以及電動(dòng)汽車(chē)和電源管理設(shè)計(jì)師合作開(kāi)發(fā)的。

動(dòng)力系統(tǒng)的電氣化改變了測(cè)試要求，不僅僅需要燃燒過(guò)程分析。電動(dòng)和混合動(dòng)力汽車(chē)可能有多個(gè)電機(jī)、逆變器和電池組。因此，必須考慮所有能源和負(fù)載。

電動(dòng)汽車(chē)制造商及其供應(yīng)商面臨的挑戰(zhàn)因?qū)I(yè)而異，無(wú)論是動(dòng)力系統(tǒng)、自動(dòng)駕駛還是車(chē)載網(wǎng)絡(luò)。

“一位專注于電池和電池測(cè)試的工程師將解決電池問(wèn)題，因?yàn)樗球?qū)動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)所需的燃料，”卡維爾說(shuō)?！耙晃粚Ｗ⒂陔娫崔D(zhuǎn)換的工程師將解決電源轉(zhuǎn)換器 [和] 變頻驅(qū)動(dòng)問(wèn)題。每一項(xiàng)對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)的正確、高效、遠(yuǎn)程運(yùn)行都至關(guān)重要。每個(gè)都提出了自己獨(dú)特的測(cè)試挑戰(zhàn)?！?

充電規(guī)格，不斷發(fā)展的電網(wǎng)

與此同時(shí)，電動(dòng)汽車(chē)充電標(biāo)準(zhǔn)繼續(xù)激增。是德科技筆記

幾個(gè)規(guī)范，例如美國(guó)和歐洲聯(lián)合充電標(biāo)準(zhǔn)、中國(guó) GB/T 規(guī)范、日本 CHAdeMO 框架，以及很快被稱為 ChaoJi 的新亞洲標(biāo)準(zhǔn)。

區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)涵蓋 EV-EVSE 通信、物理插頭設(shè)計(jì)、功率流和測(cè)試場(chǎng)景?！懊總€(gè)地區(qū)都有許多取決于充電類(lèi)型的一致性標(biāo)準(zhǔn)——交流、直流、大功率直流，”卡維爾補(bǔ)充道。

面向全球市場(chǎng)的電動(dòng)汽車(chē)和設(shè)備制造商需要測(cè)試區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)，以應(yīng)對(duì)多樣化的市場(chǎng)。因此，是德科技推出了一種自動(dòng)化測(cè)試框架，以應(yīng)對(duì)不同的充電標(biāo)準(zhǔn)，包括功率流和通信。 

電動(dòng)汽車(chē)的采用也在重塑電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施。“在汽車(chē)行業(yè)，汽車(chē)電氣化預(yù)計(jì)將對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生巨大的充電需求，同時(shí)通過(guò)車(chē)輛到電網(wǎng)的電力應(yīng)用擴(kuò)大儲(chǔ)能機(jī)會(huì)，”Tomczyk 說(shuō)?！半S著能源結(jié)構(gòu)的加劇，管理我們生產(chǎn)、分配和消費(fèi)電力方式的挑戰(zhàn)也隨之增加?！?

具有電網(wǎng)支持的智能逆變器已成為克服此類(lèi)挑戰(zhàn)的關(guān)鍵推動(dòng)力。因此，逆變器制造商需要遵守一組特定的電網(wǎng)合規(guī)性和互連規(guī)范，需要進(jìn)行廣泛的測(cè)試。

例如，電網(wǎng)仿真設(shè)備測(cè)試是強(qiáng)制性的。分布式能源正在轉(zhuǎn)向更高的輸出電壓以減少損耗，最高可達(dá) 1,000 伏交流 (VAC)?！案唠妷旱哪繕?biāo)與提供電網(wǎng)支持功能的要求相結(jié)合，例如高壓穿越，這就需要測(cè)試甚至高于 1,000 VAC 的限制，”Tomczyk 說(shuō)。

是德科技表示：“為了達(dá)到測(cè)試新逆變器 [和] 控制設(shè)計(jì)所需的高電壓，逆變器工程師通常必須串聯(lián)多個(gè)電源或使用外部變壓器。這導(dǎo)致成本高昂、復(fù)雜的測(cè)試設(shè)置無(wú)法輕松擴(kuò)展，同時(shí)性能降低……”

因此，供應(yīng)商的自動(dòng)化測(cè)試方法可以配置為區(qū)域充電標(biāo)準(zhǔn)并適應(yīng)不同的物理插頭。然后測(cè)試人員必須選擇適當(dāng)?shù)臏y(cè)試標(biāo)準(zhǔn)；自動(dòng)化軟件從那里獲取它。

隨著雙向電力流的興起，包括車(chē)輛到電網(wǎng) (V2G) 和電動(dòng)汽車(chē)本身成為儲(chǔ)能系統(tǒng)，標(biāo)準(zhǔn)組織必須指定所需的測(cè)試和測(cè)試配置。因此，V2G 實(shí)施“將增加更多復(fù)雜性，并且需要測(cè)試網(wǎng)格代碼和互操作性標(biāo)準(zhǔn)，”Cavell 說(shuō)。

汽車(chē)電氣化和電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施的轉(zhuǎn)型正在重塑測(cè)試和測(cè)量要求。儀器必須適應(yīng)高壓信號(hào)的存在，并且必須能夠承受惡劣的環(huán)境條件。在軟件方面，同步采集電氣和機(jī)械數(shù)據(jù)以及大量標(biāo)準(zhǔn)需要從根本上重新思考優(yōu)化電動(dòng)汽車(chē)測(cè)試和測(cè)量。