Vítejte, dnes je
sobota 20.
duben
2024
Odborný časopis a portál zaměřený na vývoj a výrobu elektroniky 
S tím, jak od roku 2030 spousta zemí plánuje zakázat prodeje nových automobilů s benzínovými a naftovými motory, zažívá vývoj elektrických vozidel (EV) ohromný vzestup. Důležitou roli zde přitom sehrají ještě účinnější a také cenově dostupnější návrhy s větší dojezdovou vzdáleností, ale i nižší cenou, které zákazníky k takové změně pomohou přesvědčit.
Celkový dopad elektrovozidel je však ve světě podceňován. Lidé si myslí, že takový přechod bude stejně snadný jako výměna nádrží a motorů na benzín za baterie s elektromotory, ovšem skutečnost je mnohem složitější.
Nové technologie výkonových MOSFETů tvoří stěžejní součást zmíněného přechodu na elektrický provoz s trakčními invertory EV, takže bude možné podpořit rostoucí účinnost i vyšší napětí. V souvislosti s hnacím ústrojím elektrických vozidel se hodně mluví o využití nových technologií se širokým zakázaným pásmem WBG, jako je karbid křemíku (SiC) a také nitrid galia (GaN). Vznikají zde nová řešení na bázi SiC, která vyhovují rostoucím požadavkům EV na vysoké výkony. Na vzestupu je rovněž technologie GaN, ovšem stále potřebuje posilovat důvěru, pokud jde o osvědčenou spolehlivost, a řešit i nižší ceny, aby dokázala proniknout na trh s invertory pro EV.
Technologie SiC i GaN jsou v obou případech dražší než klasická řešení, ale nabízí přesvědčivé vlastnosti, jako jsou vyšší účinnost díky nižším ztrátám během spínání, stejně jako menší rozměry návrhu, včetně jeho hmotnosti, zde poplatně vyšší spínací frekvenci a menším systémům pro zajištění chlazení. Za účelem zajištění robustnosti a bezpečného provozu mohou být návrhy s těmito novými technologiemi složitější. Cesta od výkonových křemíkových součástek směrem k nově vznikajícím technologiím bude ještě podle všeho dlouhá, zatímco ve většině aplikací citlivých na cenu se stále uplatní křemíkové prvky.
Výhledově nás čeká obrovská technologická bitva mezi palubními nabíječkami OBC sloužícími k dobíjení trakční baterie o vyšším napětí ze sítě, zatímco vozidlo parkuje. Pozorujeme zde velký tlak ze strany 400- až 800V systémů, což nahrává výhodám technologií SiC, nicméně díky skvělým rychlostem spínání prvků GaN bude nabíječka účinnější. Obě z technologií nakonec zřejmě zvítězí v různých částech světa a budou spolu asi společně existovat. Je však jisté, že napětí pro nabíjení EV dál poroste. Nová technologie vyvinutá pro nabíjecí stanice s vysokými výkony se pak dostane do palubních nabíječek, jejichž činnost dále urychlí.
Spousta zkušeností v oblasti návrhu systémů napájení pochází z prostředí datových center. Vývojáři zde mohou využít topologie vyvinuté pro mimořádně velká datová centra, zapracovat funkční bezpečnost, včetně zabezpečení, a přijít s opravdu dobrou nabíječkou či DC/DC měničem pro hnací ústrojí v rozsahu od 48 V až do 400, resp. 800 V. Největší rozdíl mezi návrhy určenými pro datová centra a napájení EV spočívá v tom, že řešení pro datová centra s obvody dsPIC33 využívá digitální řídicí smyčku spíše než analogové filtry a související zpětnovazební smyčku. Větší část návrhu lze proto řešit v číslicové oblasti, zatímco zde snímáme výstupní napětí a proud, převádíme je do digitální podoby a poté přizpůsobíme PWM tak, aby bylo možné řídit veškeré výkonové tranzistory FET prostřednictvím zpětnovazebních smyček s nízkou prodlevou. Takové dovednosti z prostředí datových center pak pomáhají vypořádat se i s nástrahami u elektrovozidel o vyšším výkonu.
Spojení digitálního signálového kontroléru se součástkami GaN s vysokou rychlostí spínání vyžaduje 250 MHz a naše kontroléry dsPIC33 jsou navrženy tak, aby zmíněnému požadavku v blízké budoucnosti vyhověly. Nabídka dsPIC33 kromě toho zahrnuje vícejádrové kontroléry pro oddělení kompaktních řídicích algoritmů od zbylé části softwaru vyžadovaného v aplikacích s EV. Věci, jako jsou požadavky plynoucí z automobilového průmyslu, funkční bezpečnost, úrovně abstrakce, drivery a Autosar rychle vedou k paměťovým požadavkům přes 1 MB. Zřejmou výhodou se tedy stávají vícejádrové součástky, které jedno z jader využijí pro řídicí smyčku a další jádro pak pro další funkce spojené s automobily a jejich fungováním. Takové požadavky vedou ke složitějším čipům kontrolérů, společně s přidruženými softwarovými nástroji a odpovídající úrovní podpory bezpečnosti ASIL, aby tak bylo možné podpořit vývojáře systémů pro EV.
Máme-li být svědky rostoucí popularity elektrovozidel, bude to znamenat mnohem víc než jen auta samotná. Změnit se musí celá infrastruktura napájecí sítě. Častěji se budeme setkávat s udržitelnou energií a lokálními mikrosítěmi řešenými na spoustě míst, kde nelze jednoduše zdvojnásobit množství energie získané od dodavatelů, takže si budou zákazníci něco vyrábět i doma za přispění solárních panelů a také dalšími prostředky.
V návaznosti na obrovské množství energie potřebné k rychlému nabíjení je možné, že se objeví obchodní modely, na které jsme dosud ani nepomysleli. Místo toho, aby měl každý dům k dispozici rychlé nabíjení, snad zažijeme i možnost rychlého prohození baterií, které tak dopřeje „náhradnímu“ zdroji více času k plnému dobití.
V dlouhodobějším výhledu však může být nabíjení ještě dostupnější a baterie již proto nemusí hrát takovou roli. V Koreji a Švédsku již např. existují indukční cívky přímo na cestě, takže zde umí dodávat energii vozidlu, které zde jede. Snižují se tak požadavky kladené na velikost baterie, včetně jejího výkonu, a také potřeba samotných nabíjecích stanic.
S tím, jak se mají stát elektrická vozidla dominantním trendem v přepravě pro další desetiletí, věnují dodavatelé technologií bedlivou pozornost architekturám systémů, které zde vývojáři používají. Trh s elektrovozidly expanduje, a pokud má docházet k inovacím, neobejdeme se bez flexibilních součástek zajišťujících vlastnosti nezbytné pro systémy nové generace. Stejnou pozornost je ovšem zapotřebí věnovat i zlepšování na straně infrastruktury, ať již nabíjení přímo u silnice, nebo tomu vestavnému. Zabráníme tím omezenému dojezdu, kterého se dnes řidiči tak obávají.
