汽車行業(yè)正在通過(guò)新的高效和靈活的解決方案來(lái)滿足市場(chǎng)需求，從而推動(dòng)電源管理技術(shù)和新電池的發(fā)展。測(cè)量系統(tǒng)發(fā)揮著重要作用，必須滿足越來(lái)越嚴(yán)格的技術(shù)要求。是德科技推出了SL1200A系列 Scienlab 可再生三相交流仿真器，適用于電動(dòng)汽車 (EV) 和電動(dòng)汽車供電設(shè)備 (EVSE) 充電應(yīng)用以及電網(wǎng)邊緣應(yīng)用。該系統(tǒng)由硬件、軟件、咨詢和支持服務(wù)組成。

在接受《電力電子新聞》采訪時(shí)，是德科技汽車和能源解決方案 (AES) 業(yè)務(wù)部門解決方案經(jīng)理 Kevin M. Cavell 和是德科技 AES 解決方案營(yíng)銷專家 Julian Tomczyk 強(qiáng)調(diào)了當(dāng)今擁有測(cè)試系統(tǒng)的重要性證明了電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)的可靠性。是德科技專注于解決電動(dòng)汽車 (EV)和 EV 供電設(shè)備 (EVSE) 以及電網(wǎng)邊緣電源轉(zhuǎn)換器充電接口方面的主要挑戰(zhàn)。Keysight SL1200A 系列 Scienlab 再生交流仿真器、SL1040A Scienlab 充電發(fā)現(xiàn)系統(tǒng) (CDS) – 便攜式系列和 SL1047A Scienlab CDS – 高功率系列專為滿足客戶的技術(shù)要求而設(shè)計(jì)。

與公司的 SL1040A 和 SL1047A Scienlab 充電探索系統(tǒng)一起，SL1200A 提供了一個(gè)完整的解決方案，使客戶能夠自信地創(chuàng)建現(xiàn)實(shí)世界的充電場(chǎng)景，并提供滿足全球標(biāo)準(zhǔn)的能力。

電動(dòng)汽車的出現(xiàn)預(yù)計(jì)將創(chuàng)造對(duì)電網(wǎng)充電的巨大需求，同時(shí)通過(guò)車輛到電網(wǎng) (V2G) 電力應(yīng)用擴(kuò)大儲(chǔ)能的機(jī)會(huì)。分布式和可再生能源解決方案的出現(xiàn)將有助于這個(gè)過(guò)渡階段，導(dǎo)致電網(wǎng)復(fù)雜性增加，EV/EVSE 和電網(wǎng)邊緣充電應(yīng)用程序中存在眾多測(cè)試挑戰(zhàn)。

電動(dòng)汽車

電動(dòng)汽車 (EV) 革命正在加速邁向更可持續(xù)未來(lái)的趨勢(shì)。EV 設(shè)計(jì)的關(guān)鍵性能是電池和推進(jìn)系統(tǒng)。設(shè)計(jì)參數(shù)涉及車輛動(dòng)力總成系統(tǒng)的功率電平、轉(zhuǎn)換效率、工作溫度、熱能耗散能力和系統(tǒng)封裝。

對(duì)于電動(dòng)汽車，系統(tǒng)必須適用于高壓測(cè)量（高達(dá) 1000 V 或更高），以確保安全可靠的運(yùn)行。最具挑戰(zhàn)性的應(yīng)用是在真實(shí)駕駛條件下測(cè)試車輛。惡劣的環(huán)境、-30°C 至 +60°C 的溫度以及各種類型的地形都需要合適的測(cè)量?jī)x器。

“在組件級(jí)別，寬帶隙 (WBG) 半導(dǎo)體用于 EV 內(nèi)部的不同功率轉(zhuǎn)換器以及 EVSE（和并網(wǎng)逆變器）。這里需要雙脈沖測(cè)試設(shè)備。WBG 建模和電路仿真也是一種可以使用的寶貴工具，”是德科技表示。

是德科技強(qiáng)調(diào)了對(duì)于電池，這個(gè)過(guò)程從電池開(kāi)始。“需要大量制造來(lái)為電動(dòng)汽車提供大量電池。需要這種制造設(shè)備來(lái)使電池經(jīng)過(guò)初始充電/放電（稱為成型），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，在老化過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的在制品庫(kù)存。為了幫助降低庫(kù)存成本，是德科技提供了一種獨(dú)特的儀器，可以將自放電測(cè)量從幾天縮短到幾小時(shí)，從而減少老化并加快電池分級(jí)。”

一旦電池形成、老化和分級(jí)，它們就可以組合在一起形成電池。根據(jù)所需的電壓和功率，這可能是數(shù)千個(gè)電池。“電池管理系統(tǒng) (BMS) 用于監(jiān)控電池中每個(gè)電池的健康狀況。在此階段還需要測(cè)試和測(cè)量設(shè)備來(lái)測(cè)試 BMS 和整個(gè)電池組，”是德科技評(píng)論道。

發(fā)言人補(bǔ)充說(shuō)：“VFD 逆變器將來(lái)自電池的直流能量轉(zhuǎn)換為變頻交流電以驅(qū)動(dòng)電機(jī)。需要能夠提供 100 kW 功率的大型電源來(lái)模擬直流側(cè)，并且需要機(jī)器模擬器來(lái)模擬圍繞 DUT 的電機(jī)。這些儀器可以讓 VFD 通過(guò)許多測(cè)試用例，以及測(cè)量輸入和輸出功率以計(jì)算電源轉(zhuǎn)換效率。通過(guò)在設(shè)計(jì)中使用 WBG 半導(dǎo)體，可以實(shí)現(xiàn) >95% 的效率，從而大大減少熱量損失并擴(kuò)大范圍。”

寬帶隙半導(dǎo)體

電源轉(zhuǎn)換器是實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸、可再生能源和工業(yè)市場(chǎng)電氣化的關(guān)鍵組件。為了促進(jìn)電源轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)的必要進(jìn)步，正在使用基于碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 的新型寬帶隙 (WBG) 半導(dǎo)體技術(shù)。

寬帶隙半導(dǎo)體的帶隙比硅或砷化鎵 (GaAs) 等常見(jiàn)半導(dǎo)體寬得多。這自然會(huì)轉(zhuǎn)化為更大的擊穿電場(chǎng)，并轉(zhuǎn)化為在高溫下工作和降低輻射敏感性而不損失電氣特性的可能性。

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）才能跳到導(dǎo)帶。在硅的情況下，該溫度約為 150°C；然而，在 WBG 半導(dǎo)體的情況下，這些值要高得多。

“WBG 半導(dǎo)體在速度（比舊設(shè)計(jì)快 10 到 100 倍）、更高的電壓和熱操作方面實(shí)現(xiàn)了重大飛躍，從而提高了效率、減小了尺寸和成本。然而，由于在表征 WBG 半導(dǎo)體時(shí)面臨許多新挑戰(zhàn)，由此產(chǎn)生的高性能電源轉(zhuǎn)換器難以設(shè)計(jì)，”是德科技表示。

這些困難推遲了半導(dǎo)體制造商和工程師設(shè)計(jì)新轉(zhuǎn)換器的創(chuàng)新。是德科技強(qiáng)調(diào)，本土測(cè)試系統(tǒng)一直是表征 WBG 半導(dǎo)體的主要來(lái)源。構(gòu)建這些系統(tǒng)是必要的，因?yàn)槠駷橹梗€沒(méi)有現(xiàn)成的商用測(cè)試系統(tǒng)。“不幸的是，使用一次性的、“本土”的測(cè)試儀很難產(chǎn)生可重復(fù)且可靠的測(cè)量結(jié)果。在將測(cè)量結(jié)果與半導(dǎo)體數(shù)據(jù)表相關(guān)聯(lián)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。為了對(duì) WBG 半導(dǎo)體進(jìn)行一致、可靠的表征，我們創(chuàng)建了 PD1500A 動(dòng)態(tài)功率器件分析儀平臺(tái)。最初采用雙脈沖測(cè)試 (DPT) 技術(shù)，

圖 1：碳化硅器件橫截面

電動(dòng)汽車和智能電網(wǎng)的挑戰(zhàn)

動(dòng)力總成電氣化不僅需要燃燒過(guò)程分析，還改變了測(cè)試要求。電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車可能有多個(gè)電機(jī)、逆變器和電池組。對(duì)于完整的能源和效率分析，必須考慮所有能源和負(fù)載。

電動(dòng)汽車制造商 (OEM) 及其供應(yīng)商（一級(jí)等）面臨的挑戰(zhàn)取決于重點(diǎn)領(lǐng)域，無(wú)論是動(dòng)力總成、自動(dòng)駕駛還是車載網(wǎng)絡(luò)。設(shè)計(jì)人員正在研究電動(dòng)汽車面臨的用于 T&M（測(cè)試與測(cè)量）的關(guān)鍵動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)備。“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。專注于電源轉(zhuǎn)換的工程師將解決電源轉(zhuǎn)換器/變頻驅(qū)動(dòng)器 (VFD)。每個(gè)對(duì)于 EV 的正確、高效、遠(yuǎn)程操作都至關(guān)重要，每個(gè)都提出了自己獨(dú)特的測(cè)試挑戰(zhàn)，”是德科技說(shuō)。

隨著電動(dòng)汽車在世界范圍內(nèi)的采用不斷增長(zhǎng)，全球不同的充電標(biāo)準(zhǔn)也在不斷發(fā)展。“不幸的是，沒(méi)有統(tǒng)一的全球標(biāo)準(zhǔn)，”是德科技說(shuō)。發(fā)言人強(qiáng)調(diào)，目前有美國(guó)和歐洲充電標(biāo)準(zhǔn)CCS、中國(guó)GB/T、日本CHAdeMO以及即將推出的亞洲新標(biāo)準(zhǔn)超極等多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。

是德科技表示，這些標(biāo)準(zhǔn)涵蓋了 EVSE 和 EV 之間的正確通信、物理插頭設(shè)計(jì)、功率流和測(cè)試場(chǎng)景等方面。“每個(gè)地區(qū)都有許多取決于充電類型（交流、直流、大功率直流）的一致性標(biāo)準(zhǔn)。作為 EV 或 EVSE 制造商，目標(biāo)可能是在全球范圍內(nèi)銷售產(chǎn)品。為此，需要在公司打算開(kāi)展業(yè)務(wù)的每個(gè)地區(qū)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。手動(dòng)完成這項(xiàng)任務(wù)可能需要數(shù)周甚至數(shù)月的時(shí)間，從而拖慢上市時(shí)間。需要一個(gè)測(cè)試系統(tǒng)，它可以在軟件中自動(dòng)執(zhí)行所有不同的測(cè)試用例，并且可以輕松提供可互換的硬件，例如插頭，以適應(yīng)每個(gè)區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)的許多測(cè)試用例。該系統(tǒng)必須滿足所有充電標(biāo)準(zhǔn)，包括通信和功率流。它必須涵蓋交流、直流、

圖 2：SL1200A 系列 Scienlab 再生三相交流仿真器

電動(dòng)汽車的增長(zhǎng)也導(dǎo)致電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)生變化。可再生能源和分布式能源 (DER) 支持全球電網(wǎng)的現(xiàn)代化。“在汽車行業(yè)，車輛的電氣化預(yù)計(jì)將對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生巨大的充電需求，同時(shí)也通過(guò)車輛到電網(wǎng) (V2G) 電力應(yīng)用擴(kuò)大儲(chǔ)能的機(jī)會(huì)。隨著能源組合的加劇，管理我們生產(chǎn)、分配和消費(fèi)電力的方式所面臨的挑戰(zhàn)也越來(lái)越大，”是德科技表示。

具有電網(wǎng)支持的“智能”逆變器解決方案已成為克服此類挑戰(zhàn)的關(guān)鍵推動(dòng)因素。因此，是德科技指出逆變器制造商必須遵守一組特定的電網(wǎng)合規(guī)性/互連標(biāo)準(zhǔn)，這些標(biāo)準(zhǔn)需要進(jìn)行廣泛的測(cè)試。

需要進(jìn)行電網(wǎng)仿真設(shè)備測(cè)試。“DER 也正在轉(zhuǎn)向更高的輸出電壓以減少損耗和成本，從 600 到 800 VAC，未來(lái)可能達(dá)到 1000 VAC（IEC-LV 指令允許高達(dá) 1000 VAC）。更高電壓的目標(biāo)與提供電網(wǎng)支持功能（例如高壓穿越 (HVRT)）的要求相結(jié)合，產(chǎn)生了對(duì)高于 1000 VAC 限制的測(cè)試需求。為了獲得測(cè)試新逆變器/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。這會(huì)導(dǎo)致成本高昂、測(cè)試設(shè)置復(fù)雜且無(wú)法輕松擴(kuò)展，以及性能降低、空間浪費(fèi)和其他額外缺點(diǎn)，”是德科技表示。

Keysight SL1200A 系列無(wú)需變壓器即可處理高達(dá) 1,200 個(gè)交流 (VAC) 電壓（從 30 kVA 到 630 kVA）的三相交流測(cè)試。有兩個(gè)電壓范圍可用。600 VAC 是低壓逆變器測(cè)試以及 EV 和 EVSE 充電測(cè)試應(yīng)用的理想選擇。1,200 VAC 允許進(jìn)行高壓測(cè)試，而無(wú)需大型復(fù)雜的測(cè)試設(shè)置。

所涉及的測(cè)試和測(cè)量的主要部分集中在該地區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)上，是德科技評(píng)論了這一點(diǎn)。“控制是德科技充電測(cè)試解決方案的軟件，如 SL1040A Scienlab CDS – 便攜式系列或 SL1047A Scienlab CDS – 高功率系列，可以配置區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)中列出的不同測(cè)試案例，硬件可以輕松互換以適應(yīng)使用的不同物理插頭。設(shè)置完成后，用戶必須在軟件中選擇合適的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)并單擊開(kāi)始。從那時(shí)起，一切都是自動(dòng)化的。由標(biāo)準(zhǔn)組織來(lái)指定必要的測(cè)試和測(cè)試配置。現(xiàn)在，電力從電網(wǎng)流向電動(dòng)汽車。電動(dòng)汽車僅從電網(wǎng)接收電力，只會(huì)增加能源需求。然而，在未來(lái)，車輛到電網(wǎng) (V2G) 等新技術(shù)將使電動(dòng)汽車充當(dāng)電池儲(chǔ)能系統(tǒng) (BESS)，充電站 (EVSE) 將成為雙向的。V2G 的實(shí)施將增加更多的復(fù)雜性，并且將需要測(cè)試網(wǎng)格代碼和互操作性標(biāo)準(zhǔn)。”

車輛和整個(gè)電氣基礎(chǔ)設(shè)施的電氣化改變了對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的要求。在硬件方面，儀器必須適應(yīng)高壓信號(hào)的存在，并且必須承受惡劣的環(huán)境條件。在軟件方面，不同類型數(shù)據(jù)的同步采集，電氣和機(jī)械，以及一系列標(biāo)準(zhǔn)對(duì)最終確定和優(yōu)化測(cè)量提出了一系列要求。

審核編輯 黃昊宇