इलेक्ट्रिक वाहन पावर इनवर्टर को समझना: प्रमुख कार्य और लाभ

परिचय

हाल के वर्षों में, नए ऊर्जा वाहनों ने दुनिया भर के प्रमुख मुख्यधारा के ऑटोमोबाइल बाजारों में बहुत प्रगति की है। यूरोपीय ऑटोमोबाइल मैन्युफैक्चरर्स एसोसिएशन ACEA के आंकड़ों के अनुसार, जनवरी से अक्टूबर 2023 तक यूरोपीय संघ के देशों में न्यू एनर्जी वाहनों (BEV+ PHEV) का संचयी पंजीकरण मात्रा (BEV+ PHEV)लगभग 1.94 मिलियन था। इकाइयाँ, लगभग 32%की एक साल-दर-वर्ष वृद्धि, और 20%से अधिक की प्रवेश दर; चाइना पैसेंजर कार एसोसिएशन द्वारा जारी आंकड़ों के अनुसार, इसी अवधि में चीन की नई ऊर्जा वाहन खुदरा बिक्री 5.962 मिलियन यूनिट, एक साल-दर-साल 34.7%की वृद्धि और 34.5%की प्रवेश दर तक पहुंच गई।

बाजार के विस्तार और प्रासंगिक औद्योगिक श्रृंखला की परिपक्वता के साथ, नए ऊर्जा वाहन लंबे समय से नीति-चालित होने से उत्पाद-चालित होने के लिए बदल गए हैं। हाल के वर्षों में नए ऊर्जा इलेक्ट्रिक वाहन उत्पादों से, हम यह भी देख सकते हैं कि स्वायत्त ड्राइविंग, इंटेलिजेंट कॉकपिट, क्रूज़िंग रेंज और इलेक्ट्रिक ड्राइव सिस्टम के प्रदर्शन के संदर्भ में बहुत सुधार हुए हैं।

मुख्य ड्राइव इन्वर्टर मुख्य ड्राइव मोटर को नियंत्रित करने के लिए एक प्रमुख घटक है। यह बैटरी पैक की डीसी पावर को ड्राइव मोटर की एसी पावर में परिवर्तित करता है। रूपांतरण की दक्षता काफी हद तक वाहन की ऊर्जा खपत प्रदर्शन को निर्धारित करती है। इसी समय, उच्च-प्रदर्शन मुख्य ड्राइव मोटर के साथ संयुक्त मुख्य ड्राइव इन्वर्टर की शिखर शक्ति भी वाहन के समग्र प्रदर्शन को निर्धारित करती है।

एक इलेक्ट्रिक वाहन पावर इन्वर्टर क्या है?

एक इलेक्ट्रिक कार पावर इन्वर्टर एक ऐसा उपकरण है जो समायोज्य आवृत्ति के साथ प्रत्यक्ष वर्तमान (जैसे बैटरी और स्टोरेज बोतलों द्वारा उत्पन्न) को वैकल्पिक वर्तमान (जैसे 220V, 50Hz साइन वेव) में परिवर्तित करता है। जीवन में दो प्रकार के पावर सॉकेट्स का उपयोग किया जाता है: 220V/110V। यद्यपि हमारे पास वैकल्पिक वर्तमान को स्टोर करने का कोई तरीका नहीं है, हम बैटरी में प्रत्यक्ष करंट स्टोर कर सकते हैं और फिर एसी को डीसी में परिवर्तित करने के लिए इनवर्टर का उपयोग कर सकते हैं। उच्च वोल्टेज और नई ऊर्जा शक्ति की उच्च शक्ति के कारणइलेक्ट्रिक मोटर्स, एसी मोटर्स जिन्हें ब्रश कम्यूटेटर की आवश्यकता नहीं होती है, का उपयोग उच्च दक्षता और लंबे जीवन को ध्यान में रखते हुए किया जाता है। वैकल्पिक वर्तमान के माध्यम से स्टेटर पर एक घूर्णन चुंबकीय क्षेत्र उत्पन्न किया जा सकता है, जिससे ब्रश कम्यूटेटर की बाधाओं से छुटकारा मिल रहा है और घूर्णन चुंबकीय क्षेत्र की कार्रवाई के तहत आवश्यक गति और टोक़ तक पहुंचने के लिए रोटर को चला रहा है। पावर मोटर इन्वर्टर, एक ऊर्जा रूपांतरण डिवाइस, पावर मोटर द्वारा आवश्यक वैकल्पिक वर्तमान में पावर बैटरी के उच्च-वोल्टेज डायरेक्ट करंट को परिवर्तित करता है।

3। एक इलेक्ट्रिक कार में इन्वर्टर कैसे काम करता है?

इलेक्ट्रिक कार पावर इन्वर्टर का कार्य सिद्धांत

इसी समय, वैकल्पिक करंट के माध्यम से पावर मोटर इन्वर्टर द्वारा उत्पन्न घूर्णन चुंबकीय क्षेत्र को रोटर के स्थायी चुंबकीय क्षेत्र के साथ ठीक से सिंक्रनाइज़ किया जाना चाहिए, या रोटर के प्रेरित चुंबकीय क्षेत्र के साथ नियंत्रणीय रूप से अतुल्यकालिक होना चाहिए। रोटर स्थिति सेंसर पावर मोटर इन्वर्टर के विश्वसनीय संचालन का मूल है। रोटर स्थिति सेंसर एक रोटरी ट्रांसफार्मर के सिद्धांत पर आधारित है और इसमें स्टेटर पर तय किए गए कई इंडक्शन कॉइल और रोटर पर तय एक धातु कैम डिस्क शामिल हैं। प्रत्येक इंडक्शन कॉइल में एक उत्तेजना घुमावदार और दो माध्यमिक वाइंडिंग होती है।

4। इलेक्ट्रिक वाहन पावर इन्वर्टर के मुख्य कार्य

इन्वर्टर के इलेक्ट्रिक कार में तीन मुख्य कार्य हैं:

1। मोटर चलाने के लिए बैटरी की डीसी पावर को तीन-चरण एसी पावर में बदलें।

2। इन्वर्टर के माध्यम से वोल्टेज और आवृत्ति को बदलकर मोटर के टोक़ और गति को बदलें।

3। ऊर्जा वसूली के दौरान बैटरी को चार्ज करने के लिए यांत्रिक ऊर्जा को विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित करें।

इलेक्ट्रिक वाहनों में एसी इंडक्शन मोटर्स

हाइब्रिड और शुद्ध इलेक्ट्रिक वाहनों में, इनवर्टर का उपयोग आमतौर पर किया जाता है, जैसा कि टेस्ला, टोयोटा कोरोला हाइब्रिड और बीएआईसी ईवी 160 जैसे मॉडल में देखा जाता है। इलेक्ट्रिक वाहनों में उपयोग की जाने वाली इलेक्ट्रिक मोटर्स एसी पावर द्वारा संचालित होती हैं। एसी शक्ति की आवृत्ति और आयाम को बदलकर, मोटर की गति और शक्ति को समायोजित किया जा सकता है। ड्राइविंग वोल्टेज की आवृत्ति जितनी अधिक होगी, मोटर की गति उतनी ही तेजी से, और ड्राइविंग वोल्टेज के आयाम जितनी अधिक होगी, मोटर की शक्ति उतनी ही मजबूत होगी। हालांकि, एसी पावर को स्टोर करने का कोई तरीका नहीं है। नई ऊर्जा वाहनों की बैटरी डीसी पावर को स्टोर करती है, जिसका उपयोग सीधे एसी मोटर्स को चलाने के लिए नहीं किया जा सकता है। इसलिए, कार बैटरी पैक में डीसी पावर को एसी पावर में बदलने के लिए एक कनवर्टर की आवश्यकता होती है जिसका उपयोग मोटर द्वारा किया जा सकता है।

वाहन इन्वर्टर बिजली की आपूर्ति के डिजाइन में दो मुख्य बिंदु हैं। एक बैटरी वोल्टेज को 220V तक बढ़ाने के लिए है, और दूसरा यह है कि आवृत्ति 50 हर्ट्ज होनी चाहिए। वोल्टेज को 12V से 220V तक बढ़ाने के लिए, एक बूस्ट चॉपर सर्किट का उपयोग किया जाता है। इसे प्राप्त करने के लिए बूस्ट चॉपर सर्किट का उपयोग किया जाता है। चूंकि आउटपुट वोल्टेज इनपुट वोल्टेज की तुलना में बहुत अधिक है, बूस्ट कारक लगभग 18 है। बूस्ट सर्किट के कार्य सिद्धांत से, यह जानना आसान है कि ड्यूटी चक्र लगभग 0.95 है। यह सैद्धांतिक रूप से संभव है, लेकिन बूस्ट सर्किट को व्यवहार में लागू करना मुश्किल है। इसलिए, एक ट्रांसफार्मर की मदद से बढ़ावा प्राप्त किया जाना चाहिए। यदि ट्रांसफार्मर एक औद्योगिक आवृत्ति ट्रांसफार्मर का उपयोग करता है, तो वॉल्यूम और वजन एक उच्च-आवृत्ति ट्रांसफार्मर की तुलना में बहुत बड़ा होगा जब आउटपुट पावर समान है, जो लोगों के लिए अस्वीकार्य है। इसलिए, एक उच्च-आवृत्ति ट्रांसफार्मर और एक उच्च-आवृत्ति रूपांतरण सर्किट का उपयोग किया जाता है। एक उच्च-आवृत्ति ट्रांसफार्मर की मदद से, 12V का वोल्टेज 220V में परिवर्तित हो जाता है, और आउटपुट आवृत्ति भी उच्च आवृत्ति होनी चाहिए। 220V मुख्य बिजली का उपयोग करने वाले कई विद्युत उपकरणों का उपयोग सीधे उच्च-आवृत्ति 220V एसी के साथ नहीं किया जा सकता है। उच्च-आवृत्ति डीसी शक्ति को 50 हर्ट्ज एसी में बदलने के लिए आगे रूपांतरण की आवश्यकता है। समग्र संरचना से, डिज़ाइन किए गए सर्किट के दो भाग होते हैं: पहला भाग एक उच्च-आवृत्ति ट्रांसफार्मर और इसी रूपांतरण सर्किट की मदद से 12V डीसी को 220V उच्च-आवृत्ति एसी में परिवर्तित करता है, और दूसरा भाग उच्च-आवृत्ति 220 वी एसी को परिवर्तित करता है 50 हर्ट्ज 220V एसी में।

5। इलेक्ट्रिक कार पावर इन्वर्टर के लाभ

एक शुद्ध इलेक्ट्रिक वाहन पर इन्वर्टर मोटर कंट्रोलर (MCU) में स्थित है। इन्वर्टर के अलावा, MCU में संयुक्त एक नियंत्रक भी है। MCU पूरे पावर सिस्टम का नियंत्रण केंद्र है। नियंत्रक ड्राइव मोटर की मांग संकेत प्राप्त करता है। जब वाहन ब्रेक या तेज करता है, तो नियंत्रक कार को स्थानांतरित करने के लिए इन्वर्टर की आवृत्ति को नियंत्रित करता है। इन्वर्टर पावर बैटरी द्वारा डीसी पावर आउटपुट प्राप्त करता है, इसे ऑपरेशन के लिए मोटर को प्रदान करने के लिए इसे तीन-चरण एसी पावर में बदल देता है, और इलेक्ट्रिक वाहन की ब्रेकिंग प्रक्रिया के दौरान बिजली की ऊर्जा को ब्रेकिंग और पुनर्प्राप्त करने की भूमिका निभाता है। जैसा कि नीचे दिए गए आंकड़े में दिखाया गया है, इन्वर्टर 6 IGBTS से बना है, और X मॉडल व्यवस्था SA-SC है। मोटर के प्रत्येक चरण आउटपुट लाइन (IA, IB और IC) और सकारात्मक और नकारात्मक DC लाइनें IGBT से जुड़ी होती हैं। इन्वर्टर में स्विचिंग तत्व IGBT तब कार्य नहीं कर सकता है जब इसका तापमान 150 डिग्री से अधिक हो जाता है, इसलिए एयर कूलिंग या वॉटर कूलिंग उपायों का उपयोग किया जाना चाहिए। जब कार ड्राइव मोटर सिस्टम फॉल्ट की रिपोर्ट करता है, जैसे कि ड्राइव मोटर को ओवरहीट करना, ड्राइव मोटर कूलेंट तापमान आदि को ओवरहीट करना, तो हमें गलती कोड के विशिष्ट अर्थ को पढ़ने के लिए एक नैदानिक ​​उपकरण का उपयोग करने की आवश्यकता है, क्योंकि गलती डैशबोर्ड पर प्रदर्शित बहुत विशिष्ट नहीं है।

6। वाहनों से परे: अन्य अनुप्रयोग

इनवर्टर का अनुप्रयोग बहुत व्यापक है, जिसमें कई फ़ील्ड और विशिष्ट एप्लिकेशन परिदृश्यों को शामिल किया गया है। निम्नलिखित कुछ मुख्य इन्वर्टर एप्लिकेशन क्षेत्र हैं: फोटोवोल्टिक पावर जनरेशन सिस्टम, सौर ऊर्जा उत्पादन, पवन ऊर्जा उत्पादन, यूपीएस प्रणाली, विमानन क्षेत्र, आदि।

7। इलेक्ट्रिक वाहन पावर इन्वर्टर प्रौद्योगिकी में उभरते रुझान

एक इलेक्ट्रिक वाहन में मुख्य ड्राइव (मुख्य) इन्वर्टर डीसी बैटरी वोल्टेज को एसी वोल्टेज में परिवर्तित करता है, जिससे इलेक्ट्रिक ट्रैक्शन मोटर की एसी वोल्टेज आवश्यकताओं को पूरा किया जाता है, जिससे यह वाहन को सुचारू रूप से चलाने में सक्षम होता है। मुख्य ड्राइव इन्वर्टर डिजाइन में नवीनतम रुझानों में शामिल हैं:

बढ़ी हुई शक्ति: इन्वर्टर के पावर आउटपुट जितना अधिक होगा, वाहन उतनी ही तेज होगा और ड्राइवर के लिए उतना ही उत्तरदायी होगा।

अधिकतम दक्षता: वाहन को चलाने के लिए उपलब्ध बिजली बढ़ाने के लिए इन्वर्टर द्वारा खपत बिजली की मात्रा को कम करें।

बढ़ते वोल्टेज: हाल ही में, 400V बैटरी इलेक्ट्रिक वाहनों में सबसे आम विनिर्देश रहा है, लेकिन ऑटोमोटिव उद्योग वर्तमान, केबल मोटाई और वजन को कम करने के लिए 800V की ओर बढ़ रहा है। ऐसा करने के लिए, इलेक्ट्रिक वाहनों में मुख्य ड्राइव इन्वर्टर इस उच्च वोल्टेज को संभालने और उपयुक्त घटकों का उपयोग करने में सक्षम होना चाहिए।

वजन कम करें और आकार: SIC में सिलिकॉन-आधारित IGBTS की तुलना में उच्च शक्ति घनत्व (kW/kg) है। उच्च शक्ति घनत्व सिस्टम के आकार (kW/L) को कम करने में मदद करता है, मोटर पर लोड को कम करते हुए मुख्य ड्राइव इन्वर्टर के वजन को कम करता है। कम वाहन का वजन वाहन के माइलेज को एक ही बैटरी के साथ बढ़ाने में मदद करता है, जबकि ड्राइवट्रेन के आकार को कम करता है और यात्रियों और ट्रंक के लिए उपलब्ध स्थान को बढ़ाता है।

सिलिकॉन की तुलना में, सिलिकॉन कार्बाइड के भौतिक गुणों के मामले में कई फायदे हैं, जिससे यह मुख्य ड्राइव इन्वर्टर डिजाइन के लिए एक बेहतर विकल्प है। पहला इसकी शारीरिक कठोरता है, जो 9.5 Mohs कठोरता तक पहुंचती है, जबकि सिलिकॉन 6.5 mohs कठोरता है, इसलिए सिलिकॉन कार्बाइड उच्च दबाव वाले सिंटरिंग के लिए अधिक उपयुक्त है और उच्च यांत्रिक अखंडता है। इसके अलावा, सिलिकॉन कार्बाइड (4.9w/cm.k) की थर्मल चालकता सिलिकॉन (1.15 w/cm.k) से चार गुना से अधिक है, जिसका अर्थ है कि यह गर्मी को अधिक प्रभावी ढंग से स्थानांतरित कर सकता है और उच्च तापमान पर मज़बूती से संचालित कर सकता है। सिलिकॉन कार्बाइड (2500kV/सेमी) का ब्रेकडाउन वोल्टेज सिलिकॉन (300kV/सेमी) से 8 गुना से अधिक है, और इसमें एक विस्तृत बैंडगैप संपत्ति है जो तेजी से चालू और बंद कर सकती है, जिससे यह तेजी से उच्च वोल्टेज के लिए एक बेहतर विकल्प बन सकता है (800V) इलेक्ट्रिक वाहनों की वास्तुकला। इसी समय, व्यापक बैंडगैप वोल्टेज का मतलब है कि इसमें सिलिकॉन की तुलना में कम नुकसान होता है। SIC-MOSFET में कोई पूंछ वर्तमान, उच्च वाहक गतिशीलता नहीं है, और डिवाइस स्विचिंग नुकसान को कम करता है। SI-IGBT मॉड्यूल एक फास्ट रिकवरी डायोड (FRD) को एकीकृत करता है, जिसमें बंद होने पर रिवर्स रिकवरी करंट और टेल करंट होगा, जिसके परिणामस्वरूप सीमित स्विचिंग स्पीड और बड़े टर्न-ऑफ नुकसान होगा। SIC सामग्री में एक उच्च वर्तमान घनत्व और एक ही शक्ति स्तर पर एक छोटा पैकेज आकार होता है।

8। इलेक्ट्रिक कार पावर इन्वर्टर डेवलपमेंट में चुनौतियां

एक कर्षण इन्वर्टर में, माइक्रोकंट्रोलर (एमसीयू) सिस्टम का मस्तिष्क है, मोटर नियंत्रण का प्रदर्शन करना, एनालॉग-टू-डिजिटल कन्वर्टर्स (एडीसी) के माध्यम से वोल्टेज और करंट करना, मैग्नेटिक कोर का उपयोग करके फील्ड-ओरिएंटेड कंट्रोल (एफओसी) एल्गोरिदम की गणना करना, और ड्राइविंग पावर फील्ड-इफेक्ट ट्रांजिस्टर (एफईटीएस) पल्स-चौड़ाई मॉड्यूलेशन (पीडब्लूएम) संकेतों का उपयोग करना।

MCU के लिए, 800V ट्रैक्शन इनवर्टर में संक्रमण तीन चुनौतियां लाता है: 1। कम विलंबता 2 के साथ वास्तविक समय नियंत्रण प्रदर्शन आवश्यकताएं। कार्यात्मक सुरक्षा आवश्यकताओं में वृद्धि 3। सिस्टम विफलताओं के लिए जल्दी से जवाब देने की आवश्यकता है

यहां तक ​​कि उच्च तापमान वातावरण में, हमारा समाधान अभी भी प्रभावी है, जो छोटे पैमाने पर इनवर्टर के आवेदन को संभव बनाता है। वर्तमान में, इलेक्ट्रिक और हाइब्रिड वाहनों के डिजाइन में, निर्माताओं ने अपने पेशेवर ज्ञान और अनुभव के साथ ऊर्जा धीरज, शक्ति, विश्वसनीयता और लागत-प्रभावशीलता जैसी समस्याओं को प्रभावी ढंग से हल किया है, और उद्योग में व्यापक रूप से मान्यता प्राप्त है।

हमने बैटरी पैक विकास के क्षेत्र में ओईएम के कई वरिष्ठ इंजीनियरों के साथ चर्चा की, और उन्होंने प्रस्तावित किया कि इलेक्ट्रिक वाहनों की इष्टतम ड्राइविंग रेंज लगभग 400 किलोमीटर है, और यदि आकार और वजन कम किया जा सकता है, तो इलेक्ट्रिक वाहन अधिक कुशल हो सकते हैं। इस दृष्टिकोण के आधार पर, OEMS सचेत रूप से कार को हल्का बनाने के लिए बैटरी की संख्या को कम कर देगा और अधिक लागत प्रभावी होगा, जबकि अभी भी सीमा आवश्यकताओं को पूरा करता है।

जैसे -जैसे अधिक इलेक्ट्रिक वाहन उत्पादित होते हैं, डिजाइन की प्रवृत्ति SIC और 800V तकनीक में बदल जाएगी, जबकि मोटर नियंत्रण प्रदर्शन में सुधार करने और कर्षण इनवर्टर के लिए कार्यात्मक सुरक्षा आवश्यकताओं को पूरा करने की आवश्यकता है।

9। इलेक्ट्रिक वाहन पावर इनवर्टर के लिए भविष्य का दृष्टिकोण

कुछ वाहन निर्माता SIC प्रौद्योगिकी में जाने के लिए सेमीकंडक्टर/चिप आपूर्तिकर्ताओं के साथ साझेदारी स्थापित कर रहे हैं।

 Geely: 2021 में, ROHM सेमीकंडक्टर और Geely ने SIC पावर डिवाइसों को विकसित करने के लिए एक सहयोग की घोषणा की। साझेदारी के तहत, Geely अपने ड्राइव इनवर्टर और ऑन-बोर्ड चार्जिंग सिस्टम में ROHM के SIC पावर उपकरणों का उपयोग करेगा, जिसका लक्ष्य अपने इलेक्ट्रिक वाहनों की सीमा का विस्तार करना है।

General Motors: 2021 में, जनरल मोटर्स ने वोल्फस्पीड, इंक के साथ एक आपूर्तिकर्ता समझौते पर हस्ताक्षर किए, जिसमें वोल्फस्पीड जीएम के अल्टियम ड्राइव मोटर्स के लिए एसआईसी पावर डिवाइस प्रदान करेगा।

Mercedes-Benz: 2022 में, सेमीकंडक्टर पर घोषणा की कि इनवर्टर के लिए इसकी SIC तकनीक का उपयोग मर्सिडीज-बेंज द्वारा अपने सभी इलेक्ट्रिक विजन EQXX इलेक्ट्रिक वाहन में किया गया है।

volkswagen: जनवरी 2023 में, वोक्सवैगन ने ओनसेमी के साथ एक रणनीतिक साझेदारी की स्थापना की। समझौते के अनुसार, ONSEMI वोक्सवैगन को SIC पावर मॉड्यूल (Elitesic Power मॉड्यूल) और वोक्सवैगन के अगली पीढ़ी के इलेक्ट्रिक वाहनों के लिए प्रौद्योगिकियों के साथ प्रदान करेगा।

कुल वैश्विक इन्वर्टर की मांग 2023 में 43.99 मिलियन यूनिट से बढ़कर 2034 में 120 मिलियन यूनिट हो जाएगी, जिसमें 9.55%की वार्षिक वृद्धि दर होगी। वर्तमान में, IGBT इनवर्टर दुनिया भर में सभी प्रकार के इलेक्ट्रिक वाहनों में सबसे व्यापक रूप से उपयोग किए जाने वाले इन्वर्टर प्रकार हैं, इसके बाद SI MOSFET है। हालांकि, BEVS की मांग में वृद्धि और 800V वास्तुकला में बदलाव के साथ, SIC इनवर्टर की मांग बढ़ने की संभावना है। 2034 तक, SIC और IGBT इनवर्टर का बाजार हिस्सेदारी क्रमशः 44% और 45% तक पहुंच जाएगी, लगभग समान रूप से विभाजित।

10। निष्कर्ष

चूंकि बेहतर दक्षता और विस्तारित ड्राइविंग रेंज की मांग जारी है, इसलिए मोटर वाहन उद्योग ऑटोमेकर्स इलेक्ट्रिक वाहनों के बहुमत को 800V आर्किटेक्चर पर स्विच करेगा। उच्च स्विचिंग दक्षता और एसआईसी इनवर्टर के कम नुकसान के कारण, मांग मजबूत होगी और उन्हें व्यापक रूप से अपनाया जाएगा। एसआईसी इनवर्टर के व्यापक रूप से गोद लेने से कई वाहन निर्माताओं और आपूर्तिकर्ताओं को एसआईसी की आपूर्ति को सुरक्षित करने के लिए अर्धचालक कंपनियों के साथ लंबवत रूप से एकीकृत करने के लिए चुनने के लिए नेतृत्व किया जाएगा।