高端访谈

为混合能源存储系统提供高效功率管理解决方案

于寅虎 2017/10/16 15:18:00

编者按:不久前,全球电子分销商儒卓力 (Rutronik)正式对外发布了其为面向电动汽车的混合能源存储系统功率管理最新解决方案,在Rutronik的电源管理产品组合中,涵盖了一系列电子器件、底盘和车身电子、引擎控制单元(ECU)、驱动链电子、乘客舒适、信息娱乐系统和电动车(eMobility)等。日前,笔者专访了Rutronik 战略营销与传播总监Andreas Mangler先生,他详细地介绍了公司在汽车功率管理系统领域的策略。

目前,儒卓力在中国市场收入的60%来自于汽车市场,这构建了儒卓力在中国地区的品牌地位。在中国市场,儒卓力正在助力推动一系列包括安全特性在内的汽车应用创新,这涵盖了一系列电子器件、底盘和车身电子、引擎控制单元(ECU)、驱动链电子、乘客舒适、信息娱乐系统和电动车(eMobility)等。

儒卓力在中国汽车行业的主要目标市场包括安全特性和系统日益成为强制性要求的自动驾驶汽车、车辆无线充电、创新驱动解决方案等领域,以及电动汽车技术。

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记者:请详细介绍下贵公司创新的电源解决方案,都包括哪些重要的组件和半导体产品,这些产品组织在一起是如何发挥更大效率的?

Andreas Mangler:我们与茨维考应用科技大学一起开发了混合能源存储系统(HESS)这一解决方案。通过HESS,我们将锂离子电池的特性与超级电容(Ultra-caps)相结合。目的是使电池在其“舒适区域”内运行,从而能够显著延长其使用寿命,甚至能够将使用寿命翻倍。其背后的特点是一个基于标准微控制器的完全数字控制系统。通过这个数字控制系统,我们实现了具有超快速控制电路的单向直流-直流转换器。该系统解决方案的优点是我们可以在各种应用中对电池进行“保护运行”。

关于我们的HESS电源解决方案的拓扑结构,最重要的一步是对我们进行研究的混合储能系统的科学分析。

根据分析结果, 我们决定使用一个基于三星锂电池和Nesscap/Maxwell超级电容的组合、带有受控旁路二极管的单向直流-直流转换器结构。该系统基于完全数字控制的系统,在此我们使用了具有超快速和非常高分辨率PWM调制器的微控制器。这是任何数字实时控制系统的基础和最重要的硬件特性。固件是在整个控制系统的VHDL-AMS仿真的基础上开发的。对于降压-升压拓扑,我们使用最快的MOSFET(来自英飞凌)及其同样非常快的MOSFET驱动器,当然,相应地也使用精确的Vishay分流器,其传感器信号处理用于电流传感器到微控制器的模拟/数字信号转换。该拓扑结构具有降压-升压功能,但是在超级电容深度或完全放电的情况下,或者当超级电容电压低于锂电池的电压时,我们可以通过由MOSFET来实现的受控旁路二极管,将负载直接接到锂电池。因此,系统在超级电容完全放电时也可以照常运行。


记者:区别于其他新能源汽车电源管理方案,贵公司的方案优势与创新性在哪里?

Andreas Mangler:该方案的创新之处在于将非常快的降压-升压转换器和拥有与模拟系统不相上下的控制特性的数字电源管理系统相结合。

一方面,我们此次研发结果的关键特性之一就是从降压到升压模式的超快速切换,这对于许多电源管理系统来说都并不容易做到。另一方面,除了降压-升压功能之外,实现了连接到负载的超级电容和锂电池两个储能装置之间的超快速切换。 在这两个核心要素上,其切换速度之快在当前的工业应用中无可匹敌。

HESS在两个不同能量存储器之间使用高度创新的新型开关逻辑,并通过在我们看来独一无二的超快速数字控制而具有了可扩展性。


记者:作为一家分销商,请问贵公司的电源解决方案的技术来源是哪里?比如是否是收购了其他技术公司?还是通过与其他技术公司合作取得的?

Andreas Mangler:Rutronik的商业模式的确是电子元器件分销商,我们靠销售元器件维持公司的运营,但同时我们也与大学和其它研究机构进行密切的合作。

近年来,我们的工程师和应届毕业生已经与大学合作撰写70多篇科研项目论文、学士学位和硕士学位论文。在与双元制学院、应用技术大学和综合大学的合作中,我们充分利用了这些院校的资源以及我们的内部资源,即我们自己培养的学生。我们非常自豪能够从自己的队伍中填补年轻的科研人员,这也是我们人事战略的一部分。在国际上,我们还通过赞助实验室用的材料来支持大学的研究工作。我们用这种技术转让来扩大我们的专业知识,因而目前并不计划收购任何技术公司。我们的目标是与工程领域的客户及各行业领域的终端客户合作, 并平等地为客户提供知识和元器件。

我们的FAE团队支持向我们购买元器件的每一个客户。终端应用则必须由客户自己开发。

记者:目前,这一创新电源解决方案是否已经经过了用户的认证以及使用评估?

Andreas Mangler:有些客户已经认识到了电源解决方案的优势,以及通过它们可以实现什么。该系统通过在“保护模式”中运行电池来降低电池管理的风险,甚至可以将电池的使用寿命提高一倍。 然而,并不是每种商业模式都需要延长电池使用寿命,像移动终端或智能手机这样每一年或两年就要销售一款新产品的细分市场对维持四到五年的电池寿命就不太感兴趣,而医疗技术或专业电动工具则不同,必须保证其电源的可用性。


记者:创新的电源解决方案在成本和效益方面是如何做到平衡的?

Andreas Mangler:就效率而言:通过完善和可扩展的控制算法,我们实现了极高的系统效率。在满载的情况下,MOSFET和驱动器的温度在40°C左右,仅通过一个简单的双层布局,且完全没有散热装置。通过硬件驱动器和MOSFET之间的优化协调,我们实现了非常高的系统效率。这最终导致运行安全性更高,并且得益于热损耗低,也增加了整个系统的可靠性。这当然花费不少,因为得同时用两个储能装置:超级电容和锂电池。

但同时,也有可能减少系统中的电池数量。我们必须在成本/能量平衡中考量这一点:在应用中要使用多少超级电容和锂电池?另一方面,我们有一个可扩展的中央微控制器,也就是说,我们只需要选择正确的MOSFET电流和电压等级,其它的使用标准选项即可。这一点最终在整体成本考核时,也是需要考虑的:由于只需要对功能部件和软件进行更改,系统的任何扩展都会更容易。这样,我们能实现灵活性和可适性。就成本而言,这当然必须要符合用户的商业模式,也就是说,用户需要延长一倍的电池寿命。

只有在需要解决可靠性、使用寿命长、鲁棒性和高效率需求的地方使用该系统,才值得投入这样的高成本。


记者:请您预测下电源解决方案这块业务在未来可以做到什么样的规模?会在整体业务中占有多大比重?

Andreas Mangler:由于历史沿革的原因,电源领域一直在Rutronik的业务范围里发挥着非常重要的作用。尤其是在功率MOSFET、IGBT以及将来在GaN和SiC产品方面,我们都始终处于最前沿。我们也很高兴能够与英飞凌和罗姆等主要厂商合作。英飞凌不仅在功率MOS领域,而且在新电源技术的投资方面,都是技术领先的供应商之一。英飞凌在此领域一直起着领军作用。此外,他们还供应为此提供精确控制的MOSFET和IGBT驱动器。这里,我想提及英飞凌XMC-4500微控制器系列,得益于其超快速、高分辨率的PWM调制器,非常适用于数字电源和电机控制。对混合储能系统的一般要求是,微控制器能够进行实时处理,并且PWM调制器能够提供一个快速系统所需的分辨率和精度。这也适用于电机控制领域、电源管理或降压-升压拓扑结构。

在这一点上,我们通过在亚洲的授权合作伙伴已经做好了准备,并期待着通过我们的产品来支持亚洲市场。就这点而言,我看到通过技术和合作,我们在亚洲也有巨大的发展机会。

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