電動(dòng)汽車電源管理技術(shù)最新進(jìn)展

“拯救我們的地球，讓地球遠(yuǎn)離污染！”這是世界各地的科學(xué)家和有識(shí)之士對(duì)降低溫室氣體排放的一致呼聲。由石化燃料引擎驅(qū)動(dòng)的汽車是罪魁禍?zhǔn)?，雖然推動(dòng)汽車行進(jìn)的替代技術(shù)有很多種，但目前唯一可行的方案是——電力（Electricity）。

電動(dòng)推進(jìn)技術(shù)需要在汽車中整合一種全新架構(gòu)的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)，這種新增加的組件要求相對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)組件進(jìn)行多學(xué)科的深入研究。電動(dòng)汽車系統(tǒng)由電動(dòng)馬達(dá)、電力轉(zhuǎn)換器和儲(chǔ)能裝置如鋰離子電池組成，這種新的架構(gòu)系統(tǒng)必須經(jīng)過優(yōu)化來最大限度地提高系統(tǒng)效率，使汽車在單次充電便能達(dá)到最長(zhǎng)的行駛距離，電子技術(shù)的發(fā)展為減少交通運(yùn)輸?shù)臍怏w排放量帶來重要的推進(jìn)力。

電動(dòng)汽車（EV）和混合動(dòng)力汽車（HEV）

電動(dòng)汽車靠電池行駛，混合動(dòng)力汽車也一樣，只是它還利用一個(gè)石化燃料點(diǎn)火的引擎作為輔助。給這些汽車供電的技術(shù)要想獲得成功并擁有美好的未來，能效是關(guān)鍵，因此需要智能的電源管理機(jī)制，最大化地提高將電池能量轉(zhuǎn)換為車輪機(jī)械驅(qū)動(dòng)力的效率，從而增加單次充電的行駛距離，同時(shí)不增加碳排放，理想情況下更是能顯著降低碳排放。

電動(dòng)汽車的碳化硅（SiC）功率

電動(dòng)汽車的重量、體積和成本，以及單次充電的行駛距離與電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的效率直接相關(guān)。SiC電源組件非常適合在汽車常見的高溫環(huán)境中工作。讓我們仔細(xì)看看SiC電源組件如何提高系統(tǒng)效率。

更輕的重量意味著里程數(shù)的延長(zhǎng)。降低電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的重量、成本和尺寸的一種典型方式是提高開關(guān)穩(wěn)壓器的開關(guān)頻率。我們都知道，在較高頻率點(diǎn)工作時(shí)，電感、電容和變壓器等主動(dòng)組件的尺寸和重量可以縮小，既然如此，快采用SiC解決方案吧。

雖然硅（Si）電源組件也能工作在高頻，但SiC的優(yōu)勢(shì)是能夠處理比Si高得多的電壓。SiC是一種寬能隙（wide band gap，WBG）的半導(dǎo)體組件，而較寬的能隙意味著較高的臨界電場(chǎng)（臨界電場(chǎng)是關(guān)斷狀態(tài)下的阻塞電壓）。寬帶隙SiC組件的高壓能力允許它們具有更低的導(dǎo)通電阻，從而實(shí)現(xiàn)更快的開關(guān)速度和單極性工作狀態(tài)，部分原理是其載頻需要被加速至更高的速度（更高的動(dòng)能）來克服更寬的能隙。

雖然砷化鎵（GaA）和氮化鎵（GaN）也具有很高的臨界電場(chǎng)，也是針對(duì)大功率解決方案的改進(jìn)型組件，但SiC還有其他優(yōu)勢(shì)。諸如更高的最大工作溫度，很高的德拜溫度（Debye temperature），很高的熱傳導(dǎo)性（在多晶SiC中），在電場(chǎng)中實(shí)現(xiàn)快速開關(guān)和低電阻率的高載流子飽和速度，方便生成二氧化硅（SiO2）帶來的更低的生產(chǎn)成本，以及很高的閾值能量導(dǎo)致更強(qiáng)的輻射硬化（radiaTIon hardening）。

SiC 組件在電動(dòng)汽車中有許多關(guān)鍵應(yīng)用?，F(xiàn)有的電力牽引驅(qū)動(dòng)裝置能夠?qū)?5%的電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械動(dòng)能以驅(qū)動(dòng)車輪，這個(gè)效率是相當(dāng)高的，但SiC也能協(xié)助提高效率。電能轉(zhuǎn)換器能受益于效率的改進(jìn)，因?yàn)樗軐㈦姵啬芰總鬟f給發(fā)動(dòng)機(jī)，而且能在電池充電器電路和任何需要的輔助電源中使用（圖1）。

圖1 SiC電源組件在電動(dòng)汽車中有許多用途。

將 750V轉(zhuǎn)換到27V供低壓電動(dòng)汽車使用的SiC電源供應(yīng)，是用SiC功率組件提高電動(dòng)汽車效率的很好例子。這種架構(gòu)將效率從88%提高到了驚人的 96%，將尺寸和重量減少了25%，并且與Si解決方案相比不需要用風(fēng)扇來冷卻多余的熱量。表1顯示電動(dòng)汽車SiC功率組件的一些重要應(yīng)用。

表 1 電動(dòng)汽車電子架構(gòu)中的一些SiC應(yīng)用。（PCU是指電源控制單元；APS是指輔助電源）（表格來源：2015 Tenth InternaTIonal Conference on Ecological Vehicles and Renewable Energies）

電動(dòng)汽車的GaN功率

GaN 對(duì)于電動(dòng)汽車的電源改進(jìn)也功不可沒。馬達(dá)驅(qū)動(dòng)和直流/直流控制中廣泛使用的絕緣柵雙極晶體管（IGBT）一直是基于Si的產(chǎn)品。這些設(shè)計(jì)的開關(guān)時(shí)間通常在 10k~100kHz數(shù)量級(jí)，而GaN組件的開關(guān)時(shí)間可以達(dá)到奈秒（ns）級(jí)，并且能夠輕松地在200℃的汽車環(huán)境下工作。

就像SiC一樣，GaN組件由于具有更高的開關(guān)速度，因此也能縮小電源架構(gòu)中電感、電容和變壓器的尺寸，還能因被動(dòng)組件尺寸的縮小而減少總體積和重量。

我們將根據(jù)電動(dòng)汽車電池的化學(xué)成分分析它們的功效，比如基于鋰的化學(xué)成分以及具有高能量密度的鎳氫電池（NiMH）。如前面SiC組件部分所述，為了使一次充電能夠行駛更長(zhǎng)的距離，同樣需要提高電源轉(zhuǎn)換架構(gòu)的效率。

Si組件的開關(guān)速度和最小導(dǎo)通電阻已經(jīng)達(dá)到最大極限，GaN似乎是超越這些極限的一種可行的方案。實(shí)驗(yàn)表明，如果開關(guān)頻率可以提高5倍，電感和電容的體積就可以縮小至五分之一。今天的GaN技術(shù)可以支持很高的速度。

GaN 功率組件在4個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域表現(xiàn)相當(dāng)卓越：高溫工作、更高的擊穿電壓、低導(dǎo)通電阻及適合更高工作頻率的奈米級(jí)開關(guān)速度。這些優(yōu)勢(shì)和GaN與SiC類似，而它們的區(qū)別有兩點(diǎn)：LED和射頻晶體管一直使用GaN；許多Si工藝兼容GaN工藝，與SiC較高的基底成本相比，降低了晶圓成本及工藝成本。

由于早在2003年就解決了可靠性問題，因此今天的技術(shù)成功讓第一個(gè)GaN高電子遷移率晶體管（HEMT）組件進(jìn)行投產(chǎn)。這些都是常態(tài)導(dǎo)通 （normally-on）組件，因此0V的柵極電壓將形成導(dǎo)通狀態(tài)，小于0V的任何電壓都將關(guān)斷組件。早期使用的是SiC基板（substrate），一旦Si基板能與GaN完美結(jié)合，生產(chǎn)成本就能顯著降低。在2014年，一個(gè)新的級(jí)聯(lián)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)將常態(tài)導(dǎo)通組件變?yōu)槌啵╪ormally-off）組件。

自此以后，驅(qū)動(dòng)技術(shù)獲得長(zhǎng)足發(fā)展，整合度越來越高，電源逆變器也有顯著進(jìn)步。GaN組件在電動(dòng)汽車的電池充電器中也有不凡表現(xiàn)，這些充電器由交流/直流轉(zhuǎn)換器加直流/直流轉(zhuǎn)換器組成。這種組合就是一種功率因子控制器（PFC）（圖2）。

圖2 典型的電動(dòng)汽車電源架構(gòu)。

利用GaN，加上開關(guān)速度更高的GaN HEMT，可以實(shí)現(xiàn)更小的被動(dòng)組件。增加的頻率透過較小的電感將功率架構(gòu)引向較低的漣波（ripple）電流，因此改善了功率因子，并得到體積更小、成本更低的電容。更低的漣波電流對(duì)電容的應(yīng)力也更小，從而提高其可靠性和壽命。

過去幾年來GaN的可靠性已經(jīng)被提高到一個(gè)很高的標(biāo)準(zhǔn)，這是GaN在汽車中使用的關(guān)鍵。

利用混合動(dòng)力汽車傳動(dòng)系統(tǒng)效率降低溫室氣體排放

目前約72%的交通排放由行駛在道路上的汽車產(chǎn)生。改進(jìn)混合動(dòng)力汽車傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)以提高其效率是降低排放的主要手段。一種方法是增強(qiáng)DC-link電壓控制架構(gòu)的效率，這意味著首先需要提高串聯(lián)型混合動(dòng)力汽車傳動(dòng)系統(tǒng)的電源轉(zhuǎn)換器效率。

DC-link通常連接三個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)：由三相整流器組成的初級(jí)電源；由雙主動(dòng)橋式（DAB）直流/直流轉(zhuǎn)換器組成的次級(jí)電源；由三相位逆變器組成的推進(jìn)負(fù)載（圖3），它們與串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車相關(guān)。

圖3 混合動(dòng)力汽車的傳動(dòng)系統(tǒng)框圖。

在 DC-link和電池電壓不相等的設(shè)計(jì)拓?fù)渲?，直?直流轉(zhuǎn)換器中間解決方案是必需的。有篇IEEE的論文《用于提高串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車中電源電路效率的電壓控制方法（Voltage Control for Enhanced Power Electronic Efficiency in Series Hybrid Electric Vehicles）》描述了研究不同架構(gòu)的許多方法以及用于各種DC-link電壓和直流/直流轉(zhuǎn)換器控制的方案。

以下將討論比例控制定律（pro-porTIonal control law），該定律用于控制動(dòng)態(tài)DC-link電壓以實(shí)現(xiàn)DAB直流/直流轉(zhuǎn)換器橋柵極開關(guān)波形之間的相移。這種轉(zhuǎn)換器位于串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車傳動(dòng)系統(tǒng)的 DC-link和電池之間，如圖4所示。在這種情況下，控制器使直流/直流轉(zhuǎn)換器電能損耗及整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)的損耗都變得更低。

圖4 控制原理圖中的混合動(dòng)力汽車傳動(dòng)系統(tǒng)互連圖。引擎（ICE）、連續(xù)可變變速箱（CVT）、永磁同步馬達(dá)（PMSG）或混合動(dòng)力汽車的初級(jí)電源、永磁同步馬達(dá)（PMSM）或混合動(dòng)力汽車的推進(jìn)負(fù)載都是圖中所示系統(tǒng)的關(guān)鍵組件。

在這個(gè)模型中，柴油機(jī)是混合動(dòng)力汽車的主要?jiǎng)恿υ?，直流電池是次?jí)動(dòng)力源。管理控制系統(tǒng)（SCS）根據(jù)電池電量狀態(tài)（SOC）和馬達(dá)負(fù)載來控制這兩個(gè)動(dòng)力源提供的動(dòng)力比例。

事實(shí)上，在這種串聯(lián)型混合動(dòng)力汽車中，DC-link電壓將抑制條件施加于與單位調(diào)制指數(shù)對(duì)應(yīng)的PMSM和PMSG的理想工作區(qū)，這樣系統(tǒng)就能避免出現(xiàn)導(dǎo)致訊號(hào)失真并降低系統(tǒng)效率的過調(diào)狀態(tài)。將調(diào)制指數(shù)保持接近1，可以提高傳動(dòng)系統(tǒng)中電源電路的總效率，從而最大限度地提高逆變器和整流器的效率，而開關(guān)過程是其效率損失的主要因素，因此降低開關(guān)電壓可以提高效率。

這種能夠最大限度減少功率損失的持續(xù)永久零壓開關(guān)（ZVS）機(jī)制最適合具有高混合因子（HF）的汽車，特別是在城市環(huán)境中。混合因子是指來自電源的裝機(jī)功率與總裝機(jī)功率之比。這個(gè)混合因子會(huì)影響混合動(dòng)力汽車中的燃油消耗。

汽車逆變器

主電源逆變器控制著電力傳動(dòng)系統(tǒng)中的馬達(dá)，是混合動(dòng)力汽車/電動(dòng)汽車中的一個(gè)重要裝置。電源逆變器就像引擎汽車中的發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)（EMS）一樣決定著駕駛行為。這種逆變器適用于任何馬達(dá)，比如同步、異步或無刷馬達(dá)，由整合的電子PCB控制。這塊PCB板是汽車制造商專門設(shè)計(jì)的，用于最大程度地減少開關(guān)損耗，以及最大化地提高熱效率。逆變器的其他功能是捕獲再生制動(dòng)釋放的能量，并回饋給電池充電。混合動(dòng)力汽車/電動(dòng)汽車的行駛距離與主逆變器的效率直接相關(guān)（圖5）。

圖5 混合動(dòng)力汽車/電動(dòng)汽車中的英飛凌主逆變器框架圖。（圖片來源：英飛凌）

雙電壓電池系統(tǒng)

管理好混合動(dòng)力汽車和電動(dòng)汽車中的電池要求使用高壓技術(shù)。結(jié)合了12V和48V電池的雙電壓系統(tǒng)需要雙向的直流/直流轉(zhuǎn)換，如圖6所示，目的是保護(hù)電路，支持架構(gòu)化功能。

圖6 48V到12V的雙向直流/直流轉(zhuǎn)換器。

另外，汽車架構(gòu)設(shè)計(jì)中通常有一個(gè)單相的3.5kW或7kW板載充電器模塊（OBCM），用于從電網(wǎng)給電動(dòng)汽車或插電式混合動(dòng)力汽車（PHEV）充電。反之，電動(dòng)汽車和插電式混合動(dòng)力汽車可以用作能源，也可整合可再生能源的智能電網(wǎng)中以用作儲(chǔ)能設(shè)備。智能電網(wǎng)工作時(shí)考慮到給電動(dòng)汽車和插電式混合動(dòng)力汽車智能充放電，這也是OBCM必須是雙向直流/直流充電器的原因。

這種設(shè)計(jì)的最佳架構(gòu)是升壓系列諧振雙向拓?fù)?，如圖7所示。它工作在諧振頻率之上，具有零壓開關(guān)功能，在最小開關(guān)頻率點(diǎn)具有最大的功率傳送性能。與單向電源流轉(zhuǎn)換器相比，這種技術(shù)用MOSFET整流器替代了二極管整流器。這種解決方案也具有較高的效率和較寬的電池容量。圖7所示的這種架構(gòu)的一個(gè)主要缺點(diǎn)是整流橋在關(guān)斷時(shí)具有較大的損耗，這一問題在未來的設(shè)計(jì)中必須解決。

圖7 設(shè)計(jì)師有時(shí)使用調(diào)制過的DAB轉(zhuǎn)換器控制簡(jiǎn)單高頻隔離，這種架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)是組件的應(yīng)力較低；其主要缺點(diǎn)是，ZVS無法擴(kuò)展到整個(gè)輸出范圍，特別是在輕負(fù)載條件下。這張圖顯示，升壓系列諧振雙向轉(zhuǎn)換器是一種更好的架構(gòu)。

Delphi整合和布線

Delphi整合了本文討論的所有元組件和其他一些混合電動(dòng)汽車功率電子組件（圖8），這令人驚嘆。

圖8 Delphi在混合動(dòng)力汽車/電動(dòng)汽車中實(shí)現(xiàn)高度整合。

混合動(dòng)力汽車/電動(dòng)汽車中使用合適的內(nèi)部連接器也十分重要（圖9）。

圖9 混合動(dòng)力汽車/電動(dòng)汽車的關(guān)鍵要素是將質(zhì)量最小化。Delphi在小規(guī)程電纜技術(shù)、絕緣材料和重量更輕的銅替代品（比如鋁或一些特殊專有合金）方面有著重要?jiǎng)?chuàng)新。（圖片來源：Delphi）

電力車輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

《電動(dòng)汽車應(yīng)用電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)（Design and ImplementaTIon of an Electric Drive System for In-Wheel Motor Electric Vehicle Applications）》一文推薦了一種適合混合動(dòng)力汽車和電動(dòng)汽車的馬達(dá)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，一種提供計(jì)算性能的馬達(dá)驅(qū)動(dòng)混合動(dòng)力汽車的Matlab SIMULINK模型已開發(fā)成功。兩個(gè)14kWDC無刷直流馬達(dá)根據(jù)文獻(xiàn)設(shè)計(jì)制造而成，安裝在混合動(dòng)力汽車車輪的輪緣內(nèi)。

圖10 一個(gè)后輪的無刷直流馬達(dá)圖。

另外，兩個(gè)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的后輪也安裝在菲亞特（Fiat）Linea車上。透過對(duì)方向盤的角度進(jìn)行檢測(cè)，電子控制技術(shù)取代了機(jī)械差動(dòng)裝置。汽車的電力驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)和電子控制單元（ECU）之間透過CAN總線進(jìn)行通訊，電力驅(qū)動(dòng)后輪和ICE驅(qū)動(dòng)的前軸之間實(shí)現(xiàn)了成功的級(jí)聯(lián)。

這種設(shè)計(jì)選擇了帶集中線圈的無刷直流馬達(dá)，因?yàn)樗哂泻艿偷墓β手亓勘群秃芨叩男?，并且容易控制?/p>

圖11 車輪輪輞和電動(dòng)發(fā)電機(jī)裝置中的直接驅(qū)動(dòng)型無刷直流馬達(dá)分解圖。

驅(qū)動(dòng)器

無刷直流馬達(dá)的電力驅(qū)動(dòng)器由一個(gè)整合電源模塊（IPM）、一個(gè)8位的微控制器和一個(gè)電子控制系統(tǒng)組成。驅(qū)動(dòng)器軟件開發(fā)用于IGBT換流控制和脈沖寬度調(diào)變（PWM）電壓控制。系統(tǒng)具有光耦隔離、電流和溫度保護(hù)，而且系統(tǒng)中還嵌入了速度、電流和電壓傳感器。

綜上所述，本文介紹了在電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車電源管理方面最近幾年的一些發(fā)展成果。今后勢(shì)必還會(huì)涌現(xiàn)更多的開發(fā)成果，進(jìn)一步改進(jìn)這些系統(tǒng)，使地球受益。