Revolutionaire Rijdmultiplexeringsverhogingstechnologie Sluit de Kloof Tussen Hoge-Spondings EV’s en Laag-Spondings Oplaarinfrastructuur
De auto-industrie bevindt zich in het midden van een diepe transformatie, met elektrische voertuigen (EV’s) in de voorhoede van de inspanningen om koolstofemissies en afhankelijkheid van fossiele brandstoffen te verminderen. Een sleuteltrend in deze evolutie is de verschuiving naar 800 V hoge-spanningsarchitecturen, die snellere oplaadtijden, betere energie-efficiëntie en verbeterde algehele prestaties beloven. Deze overgang is echter belemmerd door een kritieke uitdaging: de bestaande oplaarinfrastructuur, gedomineerd door 400 V laag-spannings DC-opladers, slaagt er niet in om bij te blijven met de nieuwe hoge-spannings voertuigontwerpen.
In een baanbrekende ontwikkeling hebben onderzoekers van toonaangevende instellingen een innovatieve oplossing geïntroduceerd die dit compatibiliteitsprobleem direct aanpakt. Hun werk, getiteld “Multiplexeringsverhogingstechnologie voor Elektrische Voertuigrijd”, presenteert een nieuwe tijdsdelingsmultiplexeringsopstap oplaadtopologie en besturingsstrategie die 800 V hoge-spannings EV’s in staat stelt om naadloos gebruik te maken van bestaande laag-spannings oplaarinfrastructuur. Deze doorbraak verbetert niet alleen de praktische bruikbaarheid van hoge-spannings EV’s, maar vertegenwoordigt ook een belangrijke stap vooruit in het optimaliseren van hulpbronnengebruik en het verlagen van kosten in het EV-ecosysteem.
De Noodzaak van Compatibiliteit in de EV-Overgang
Als bezorgdheid over klimaatverandering en uitputting van fossiele brandstoffen toeneemt, hebben overheden en industrieën wereldwijd elektrische voertuigen omarmd als hoeksteen van duurzame vervoer. In China, bijvoorbeeld, hebben beleidsmakers een reeks ondersteunende maatregelen geimplementeerd, met de nadruk dat nieuwe energietoeristen cruciaal zijn voor de ambitie van het land om te overstappen van een grote automobielproducent naar een mondiale automobielgigant. Deze toewijding heeft snelle vooruitgang in EV-technologie gestimuleerd, waarbij 800 V hoge-spanningsarchitecturen een sleutelgebied van innovatie zijn geworden.
Voertuigen uitgerust met 800 V-systemen, zoals de Porsche Taycan, Hyundai Ioniq5 en modellen vanChinesefabrikanten zoals Xpeng, Li Auto, BYD en GAC, bieden overtuigende voordelen. Deze omvatten kortere oplaadtijden, hogere vermogensoutput en meer efficiënt energieverbruik. De wijdverbreide adoptie van deze voertuigen is echter belemmerd door de trage uitrol van compatibele hoge-spannings oplaarinfrastructuur.
Statistieken tonen aan dat de overgrote meerderheid van de bestaande DC-opladers werkt op platforms van 500 V of lager, waarbij meer dan 93,3% van de openbare snelladers voor particuliere auto’s in deze categorie vallen. Hoge-spannings oplaadstations, aan de andere kant, vereisen grote investeringen in netwerkuitbreidingen en hebben hogere bouwkosten, wat leidt tot hun vertraagde implementatie. Deze disconnectie tussen voertuigtechnologie en oplaarinfrastructuur creëert een dringende behoefte aan oplossingen die hoge-spannings EV’s in staat stellen om bestaande laag-spannings oplaarinrichtingen te gebruiken.
Een Nieuw Benadering: Rijdmultiplexering
Bij het herkennen van deze uitdaging heeft een team onderzoekers een baanbrekende oplossing ontwikkeld die gebruikmaakt van de inherente kenmerken van EV-rijdsystemen. Het kerninzicht is dat het rijdsysteem en het oplaadsysteem van een voertuig niet gelijktijdig werken. Door het rijdsysteem strategisch te herconfigureren om te functioneren als een oplaadverhoging wanneer het voertuig stilstaat, hebben de onderzoekers een manier gecreëerd om de noodzaak van afzonderlijke oplaadhardware te elimineren, waardoor kosten worden verlaagd en ruimte wordt bespaard.
De voorgestelde technologie transformeert de elektromotor en zijn omwerper in een hoogvermogens boost-omzetter tijdens het opladen. Specifiek functioneren de motorwikkelingen als energiestoreinductoren, terwijl de motoromwerpercontroller is hergebruikt als hakkerwisselcontroller. Door slechts twee relaiswisselaars en een klein aantal passieve componenten te integreren, kan het systeem naadloos schakelen tussen rij- en oplaadmodus.
In oplaadmodus werkt het systeem als een drie-fase geïnterleaveerde parallelle Boost-circuit. Deze configuratie maakt efficiënte conversie mogelijk van de 450 V-uitvoer van een standaard laag-spannings DC-lader naar de 880 V die nodig is voor hoge-spannings voertuigbatterijen. Het gebruik van geïnterleaveerde parallelle technologie helpt om stroomrimpel te minimaliseren, waardoor stabiele en efficiënte stroomoverdracht wordt gegarandeerd.
Overschrijden van Technische Uitdagingen: Modellering en Besturing
Een sleuteluitdaging bij de ontwikkeling van deze technologie ligt in het begrijpen en beheren van de complexe elektromagnetische kenmerken van de motorwikkelingen wanneer deze worden gebruikt als inductoren. De onderzoekers voerden een gedetailleerde analyse uit van de koppelingsrelaties tussen de drie-fasewikkelingen van een ingebedde permanente magneet synchrone motor (PMSM), die vaak wordt gebruikt in EV’s.
Ze ontwikkelden wiskundige modellen om te beschrijven hoe de inductantie van elke fasewikkeling verandert met de rotorpositie. Deze analyse onthulde dat de inductantiewaarden periodieke variaties vertonen, die de prestaties van de boost-omzetter kunnen beïnvloeden. Om dit aan te pakken, introduceerde het team een externe inductor om de negatieve effecten van wederzijdse inductantie tussen dewikkelingen te tegengaan, waardoor consistente en betrouwbare werking over alle rotorposities wordt gegarandeerd.
Even cruciaal voor de prestaties van het systeem is de besturingsstrategie. De onderzoekers vergeleken traditionele dubbele lusbesturingsmethoden met een geavanceerdere benadering die proportionele-integraal (PI)-besturing en modelvoorspellende besturing (MPC) combineert. De dubbele lusbesturing, hoewel effectief in sommige scenario’s, had beperkingen in termen van antwoord snelheid en complexiteit van parametertuning.
Daarentegen bood de voorgestelde PI-MPC hybride besturingsstrategie significante voordelen. Door de PI-regelaar voor spanningsbesturing te behouden om steady-state nauwkeurigheid te garanderen en MPC voor stroombesturing te integreren om dynamisch antwoord te verbeteren, bereikte het systeem snelle en stabiele prestaties. De MPC-component voorspelt toekomstige systeemtoestanden en selecteert de optimale schakelacties om stroomrimpel te minimaliseren en spanningsstabiliteit te behouden, zelfs tijdens plotselinge lastveranderingen of invoerspanningsfluctuaties.
Validatie Door Simulatie en Experimentatie
Om de effectiviteit van hun benadering te verifiëren, voerden de onderzoekers uitgebreide simulaties en experimenten uit. Met behulp van Simulink bouwden ze een gedetailleerd model van het systeem en testten zijn prestaties onder verschillende omstandigheden. De simulaties vergeleken de dubbele lusbesturing en PI-MPC hybride besturingsstrategieën over verschillende rotorposities, waarbij metrische gegevens zoals stroomrimpel, antwoordtijd en stabiliteit werden geëvalueerd.
De resultaten toonden aan dat de PI-MPC hybride besturingsstrategie de traditionele aanpak overtreft, vooral in dynamische scenario’s. Bijvoorbeeld, wanneer de last plotseling veranderde, bereikte het hybride besturingssysteem stabiele werking in ongeveer 8,66 ms, vergeleken met 12,03 ms voor de dubbele lusbesturing. Evenzo, in reactie op invoerspanningsfluctuaties, bereikte het hybride besturingssysteem een stabilisatie 80% sneller, met significant minder overschot.
Om hun bevindingen verder te valideren, bouwden de onderzoekers een experimenteel platform van 50 kW. Dit platform omvatte een 250 kW ingebedde PMSM, een hoofdvermogenscontroller, externe inductoren en diverse meetinstrumenten. De experimenten bevestigden de simulatieresultaten en toonden aan dat het systeem betrouwbaar spanningsverhoging kon bereiken van 250 V naar 400 V (geschaald voor de experimentele setup) met efficiënte en stabiele werking.
De experimentele gegevens toonden aan dat het systeem lage stroomrimpel behield over verschillende bedrijfsomstandigheden, met invoerstroomrimpel goed binnen aanvaardbare limieten. De PI-MPC-besturingsstrategie bleek opnieuw superieur te zijn in dynamische tests, met snellere antwoordtijden en kleinere spanningsfluctuaties tijdens lastveranderingen in vergelijking met de dubbele lusbesturingsmethode.
Implicaties voor de EV-Industrie en Daarbuiten
De succesvolle ontwikkeling van deze rijdmultiplexeringsverhogingstechnologie heeft significante implicaties voor de elektrische voertuigindustrie. Door hoge-spannings EV’s in staat te stellen om bestaande laag-spannings oplaarinfrastructuur te gebruiken, verwijdert het een belangrijke barrière voor de wijdverbreide adoptie van geavanceerde EV-architecturen. Dit kan op zijn beurt de overgang naar efficiëntere, langere reikwijdte elektrische voertuigen versnellen zonder enorme investeringen in nieuwe oplaarinfrastructuur te vereisen.
De technologie biedt ook aanzienlijke economische voordelen. Door de noodzaak van een afzonderlijke onboard-lader te elimineren, verlaagt het de kosten, het gewicht en de ruimtebehoefte voor EV’s. Dit kan elektrische voertuigen betaalbaarder en aantrekkelijker maken voor consumenten, waardoor de marktdompeling verder wordt gestimuleerd. Bovendien verbetert de verbeterde utilisatie van bestaande componenten en infrastructuur de algehele duurzaamheid van het EV-ecosysteem.
Buiten passagiersvoertuigen kan deze technologie toepassingen vinden in andere sectoren van elektrisch mobiliteit, zoals bedrijfsvrachtauto’s en bussen, waar de uitdagingen van oplaarinfrastructuur nog duidelijker zijn. De kernprincipes van systeemmultiplexering en efficiënte stroomconversie kunnen ook de ontwikkeling van andere energieomzettersystemen informeren, wat bijdraagt aan bredere inspanningen om energie-efficiëntie en duurzaamheid te verbeteren.
Conclusie: Wegenmakers voor een Naadloze EV-Toekomst
Naarmate de auto-industrie zich naar hogere spanningsarchitecturen beweegt, zullen oplossingen zoals deze een cruciale rol spelen in het waarborgen van een soepele en efficiënte overgang. De voortdurende ontwikkeling en verfijning van dergelijke technologiën beloven om elektrische voertuigen toegankelijker, efficiënter en handiger te maken, waardoor de mondiale overgang naar duurzaam vervoer wordt versneld.
Dit onderzoek is uitgevoerd door Hou Wenbo, Yang Ping, Chen Ke, Qu Bo en Wu Wenrong van de School of Electrical Engineering aan de Zuidoost Jiaotong Universiteit in Chengdu en de afdeling Power Consumption and Energy Efficiency aan het China Electric Power Research Institute in Beijing. Hun bevindingen werden gepubliceerd in de “Transactions of China Electrotechnical Society” (Vol. 39, Supp. 1, December 2024) met de DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.L11033.