汽車行業(yè)正在通過新的高效和靈活的解決方案來滿足市場需求，從而推動電源管理技術(shù)和新電池的發(fā)展。測量系統(tǒng)發(fā)揮著重要作用，必須滿足越來越嚴格的技術(shù)要求。是德科技推出了SL1200A系列 Scienlab 可再生三相交流仿真器，適用于電動汽車 (EV) 和電動汽車供電設(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，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 解決方案營銷專家 Julian Tomczyk 強調(diào)了當(dāng)今擁有測試系統(tǒng)的重要性證明了電動汽車動力系統(tǒng)的可靠性。是德科技專注于解決電動汽車 (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。

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

電動汽車的出現(xiàn)預(yù)計將創(chuàng)造對電網(wǎng)充電的巨大需求，同時通過車輛到電網(wǎng) (V2G) 電力應(yīng)用擴大儲能的機會。分布式和可再生能源解決方案的出現(xiàn)將有助于這個過渡階段，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試挑戰(zhàn)。

電動汽車

電動汽車 (EV) 革命正在加速邁向更可持續(xù)未來的趨勢。EV 設(shè)計的關(guān)鍵性能是電池和推進系統(tǒng)。設(shè)計參數(shù)涉及車輛動力總成系統(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。

對于電動汽車，系統(tǒng)必須適用于高壓測量（高達 1000 V 或更高），以確保安全可靠的運行。最具挑戰(zhàn)性的應(yīng)用是在真實駕駛條件下測試車輛。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量儀器。

“在組件級別，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。

是德科技強調(diào)了對于電池，這個過程從電池開始。“需要大量制造來為電動汽車提供大量電池。需要這種制造設(shè)備來使電池經(jīng)過初始充電/放電（稱為成型），然后根據(jù)質(zhì)量對電池進行分級。雖然大多數(shù)分級可以在幾分鐘內(nèi)完成，但在電池老化過程中測量自放電是一項耗時的測試，需要很多天，在老化過程中會產(chǎn)生大量的在制品庫存。為了幫助降低庫存成本，是德科技提供了一種獨特的儀器，可以將自放電測量從幾天縮短到幾小時，從而減少老化并加快電池分級。”

一旦電池形成、老化和分級，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)千個電池。“電池管理系統(tǒng) (BMS) 用于監(jiān)控電池中每個電池的健康狀況。在此階段還需要測試和測量設(shè)備來測試 BMS 和整個電池組，”是德科技評論道。

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

寬帶隙半導(dǎo)體

電源轉(zhuǎn)換器是實現(xiàn)運輸、可再生能源和工業(yè)市場電氣化的關(guān)鍵組件。為了促進電源轉(zhuǎn)換器設(shè)計的必要進步，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) 等常見半導(dǎo)體寬得多。這自然會轉(zhuǎn)化為更大的擊穿電場，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，價帶中電子的熱能也會增加，直到它們達到必要的能量（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)計快 10 到 100 倍）、更高的電壓和熱操作方面實現(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，”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)計新轉(zhuǎn)換器的創(chuàng)新。是德科技強調(diào)，本土測試系統(tǒng)一直是表征 WBG 半導(dǎo)體的主要來源。構(gòu)建這些系統(tǒng)是必要的，因為迄今為止，還沒有現(xiàn)成的商用測試系統(tǒng)。“不幸的是，使用一次性的、“本土”的測試儀很難產(chǎn)生可重復(fù)且可靠的測量結(jié)果。在將測量結(jié)果與半導(dǎo)體數(shù)據(jù)表相關(guān)聯(lián)時，不可靠的結(jié)果會給電源轉(zhuǎn)換器設(shè)計人員帶來額外的障礙。為了對 WBG 半導(dǎo)體進行一致、可靠的表征，我們創(chuàng)建了 PD1500A 動態(tài)功率器件分析儀平臺。最初采用雙脈沖測試 (DPT) 技術(shù)，

圖 1：碳化硅器件橫截面

電動汽車和智能電網(wǎng)的挑戰(zhàn)

動力總成電氣化不僅需要燃燒過程分析，還改變了測試要求。電動汽車和混合動力汽車可能有多個電機、逆變器和電池組。對于完整的能源和效率分析，必須考慮所有能源和負載。

電動汽車制造商 (OEM) 及其供應(yīng)商（一級等）面臨的挑戰(zhàn)取決于重點領(lǐng)域，無論是動力總成、自動駕駛還是車載網(wǎng)絡(luò)。設(shè)計人員正在研究電動汽車面臨的用于 T&M（測試與測量）的關(guān)鍵動力系統(tǒng)設(shè)備。“專注于電池和電池測試的工程師將解決電池問題，因為它是驅(qū)動動力系統(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)動器 (VFD)。每個對于 EV 的正確、高效、遠程操作都至關(guān)重要，每個都提出了自己獨特的測試挑戰(zhàn)，”是德科技說。

隨著電動汽車在世界范圍內(nèi)的采用不斷增長，全球不同的充電標準也在不斷發(fā)展。“不幸的是，沒有統(tǒng)一的全球標準，”是德科技說。發(fā)言人強調(diào)，目前有美國和歐洲充電標準CCS、中國GB/T、日本CHAdeMO以及即將推出的亞洲新標準超極等多個標準。

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

電動汽車的增長也導(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)計將對電網(wǎng)產(chǎn)生巨大的充電需求，同時也通過車輛到電網(wǎng) (V2G) 電力應(yīng)用擴大儲能的機會。隨著能源組合的加劇，管理我們生產(chǎn)、分配和消費電力的方式所面臨的挑戰(zhàn)也越來越大，”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/互連標準，這些標準需要進行廣泛的測試。

需要進行電網(wǎng)仿真設(shè)備測試。“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，未來可能達到 1000 VAC（IEC-LV 指令允許高達 1000 VAC）。更高電壓的目標與提供電網(wǎng)支持功能（例如高壓穿越 (HVRT)）的要求相結(jié)合，產(chǎn)生了對高于 1000 VAC 限制的測試需求。為了獲得測試新逆變器/控制設(shè)計所需的高電壓，逆變器工程師通常必須串聯(lián)多個電源或使用外部變壓器。這會導(dǎo)致成本高昂、測試設(shè)置復(fù)雜且無法輕松擴展，以及性能降低、空間浪費和其他額外缺點，”是德科技表示。

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

所涉及的測試和測量的主要部分集中在該地區(qū)的標準上，是德科技評論了這一點。“控制是德科技充電測試解決方案的軟件，如 SL1040A Scienlab CDS – 便攜式系列或 SL1047A Scienlab CDS – 高功率系列，可以配置區(qū)域標準中列出的不同測試案例，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試標準并單擊開始。從那時起，一切都是自動化的。由標準組織來指定必要的測試和測試配置。現(xiàn)在，電力從電網(wǎng)流向電動汽車。電動汽車僅從電網(wǎng)接收電力，只會增加能源需求。然而，在未來，車輛到電網(wǎng) (V2G) 等新技術(shù)將使電動汽車充當(dāng)電池儲能系統(tǒng) (BESS)，充電站 (EVSE) 將成為雙向的。V2G 的實施將增加更多的復(fù)雜性，并且將需要測試網(wǎng)格代碼和互操作性標準。”

車輛和整個電氣基礎(chǔ)設(shè)施的電氣化改變了對測量系統(tǒng)的要求。在硬件方面，儀器必須適應(yīng)高壓信號的存在，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，電氣和機械，以及一系列標準對最終確定和優(yōu)化測量提出了一系列要求。

審核編輯 黃昊宇