【導(dǎo)讀】電動(dòng)汽車系統(tǒng)由電動(dòng)馬達(dá)、電力轉(zhuǎn)換器和儲(chǔ)能器件如鋰離子電池組成。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，使汽車一次充電能夠達(dá)到最長的行駛距離。電子技術(shù)的這些發(fā)展為減少交通運(yùn)輸?shù)呐欧艅?chuàng)造了條件。
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)之士對降低溫室氣體排放的一致呼聲。由化石燃料內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)的汽車是罪魁禍?zhǔn)住ｋm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：電動(dòng)汽車。
電動(dòng)推進(jìn)技術(shù)需要在汽車中集成一種全新架構(gòu)的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)，這種新增加的組件要求對相應(yīng)的系統(tǒng)部件進(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)能器件如鋰離子電池組成。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，使汽車一次充電能夠達(dá)到最長的行駛距離。電子技術(shù)的這些發(fā)展為減少交通運(yùn)輸?shù)呐欧艅?chuàng)造了條件。
電動(dòng)汽車(EV)和混合動(dòng)力汽車(HEV)
電動(dòng)汽車(EV)靠電池行駛，混合動(dòng)力汽車(HEV)也一樣，只是它還利用一個(gè)化石燃料點(diǎn)火的內(nèi)燃機(jī)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，最大限度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，理想情況下更是顯著降低碳排放。
電動(dòng)汽車的碳化硅(SiC)電源
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電源部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)看看碳化硅電源部件在提高系統(tǒng)效率方面的作用。
更輕的重量意味著里程數(shù)的延長。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。我們知道，在較高頻率點(diǎn)工作時(shí)，電感、電容和變壓器等有源元件的尺寸和重量可以縮小。擁抱碳化硅(SiC)解決方案吧。
雖然硅(Si)電源器件也能工作在高頻，但SiC的優(yōu)勢是能夠處理比Si高得多的電壓。SiC是一種寬帶隙的半導(dǎo)體器件，而較寬的帶隙意味著較高的臨界電場(臨界電場是關(guān)斷狀態(tài)下的阻塞電壓)。寬帶隙(WBG)SiC器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高得多的速度(更高的動(dòng)能)來克服更寬的帶隙。
雖然砷化鎵(GaAs)和氮化鎵(GaN)也具有很高的臨界電場，也是針對大功率解決方案的改進(jìn)型器件，但SiC還有其它一些優(yōu)勢，諸如更高的最大工作溫度，很高的德拜溫度，很高的熱傳導(dǎo)性(在多晶SiC中)，在電場中實(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帶來的更具魯棒性的抗輻射性能。
SiC器件在電動(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)械能來驅(qū)動(dòng)車輪，這個(gè)效率是相當(dāng)高的，但SiC也能幫助提高效率。電能轉(zhuǎn)換器能夠受益于效率的改進(jìn)，因?yàn)樗軐㈦姵啬芰總鬟f給發(fā)動(dòng)機(jī)，而且能夠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電源器件在電動(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，是用SiC功率器件提高電動(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%，將尺寸和重量減小了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顯示了電動(dòng)汽車SiC功率器件的一些重要應(yīng)用。表格中提到的參考信息可以通過訪問本文末尾的參考文獻(xiàn)1找到。
表1,電動(dòng)汽車電子架構(gòu)中的一些SiC應(yīng)用(摘自參考文獻(xiàn)1)。
(PCU是指電源控制單元；APS是指輔助電源)
電動(dòng)汽車的氮化鎵電源
氮化鎵(GaN)對于電動(dòng)汽車的電源改進(jìn)也功不可沒。電機(jī)驅(qū)動(dòng)和直流/直流控制中廣泛使用的IGBT一直是基于硅的產(chǎn)品。這些設(shè)計(jì)的開關(guān)時(shí)間通常在10kHz至100kHz數(shù)量級(jí)，而GaN器件的開關(guān)時(shí)間可以達(dá)到納秒級(jí)，并且能夠輕松地工作在200℃的汽車環(huán)境下。
就像SiC一樣，GaN器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，還能因無源器件尺寸的縮小而減少總的體積和重量。
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NiMH。如前面SiC器件部分所述，為了使一次充電能夠行駛更長的距離，同樣需要提高電源轉(zhuǎn)換架構(gòu)的效率。
硅器件的開關(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至五分之一。今天的GaN技術(shù)可以支持很高的速度。
GaN功率器件在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，適合更高工作頻率的納米級(jí)開關(guān)速度。在這些優(yōu)勢方面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；許多硅制造工藝兼容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)成就了已經(jīng)投產(chǎn)的第一批GaN高電子遷移率晶體管(HEMT)器件。這些都是常態(tài)導(dǎo)通器件，因此0V的柵極電壓將形成導(dǎo)通狀態(tài)，小于0V的任何電壓都將使器件關(guān)斷。早期使用的是SiC基底，一旦Si基底能與GaN完美結(jié)合，生產(chǎn)成本就能顯著降低。2014年實(shí)現(xiàn)的新的級(jí)聯(lián)架構(gòu)將常通器件變?yōu)榱顺嗥骷?/div>
汽車逆變器
雙電壓電池系統(tǒng)
Delphi集成和布線
自那以后驅(qū)動(dòng)技術(shù)得到了長足發(fā)展，集成度越來越高，電源逆變器也有了顯著進(jìn)步。GaN器件在電動(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數(shù)控制器(PFC)(圖2)。
圖2：典型的電動(dòng)汽車電源架構(gòu)(摘自參考文獻(xiàn)2)。
利用GaN，加上開關(guān)速度更高的GaN HEMT，可以實(shí)現(xiàn)更小的無源器件。在更高的頻率條件下，用更小的電感可以使電源架構(gòu)的紋波電流更低，改善了功率因數(shù)，并得到體積更小成本更低的電容。更低的紋波電流對電容的應(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)被提高到了一個(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)式混合動(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；由雙路有源橋(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(摘自參考文獻(xiàn)3)。
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。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”(參考文獻(xiàn)3)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。
下面將討論比例控制定律，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。內(nèi)燃機(jī)(ICE)、連續(xù)可變變速箱(CVT)、永磁同步發(fā)電機(jī)(PMSG)或混合動(dòng)力汽車的初級(jí)電源、永磁同步電機(jī)(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)鍵部件。(摘自參考文獻(xiàn)3)
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)和電機(jī)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)致信號(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小功率損失的永久零壓開關(guān)(PZVS)機(jī)制最適合具有高混合因子的汽車，特別是在城市環(huán)境中。混合因子(HF)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)中的電動(dòng)機(jī)，是混合動(dòng)力汽車/電動(dòng)汽車中的一個(gè)重要部件。電源逆變器就像內(nèi)燃機(jī)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電機(jī)，比如同步、異步或無刷電機(jī)，由集成的電子PCB板控制。這塊PCB板是汽車制造商專門設(shè)計(jì)的，用于最大限度地減少開關(guān)損耗，以及最大限度地提高熱效率。逆變器的其它功能是捕獲再生制動(dòng)釋放的能量，并反饋給電池充電?；旌蟿?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圖。(摘自參考文獻(xiàn)4中的英飛凌部分)
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(摘自參考文獻(xiàn)5中的TI部分)。
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，也可在集成有可再生能源的智能電網(wǎng)中用作儲(chǔ)能設(shè)備。智能電網(wǎng)工作時(shí)考慮到了給電動(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)洌鐖D7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)換器控制簡單高頻隔離，這種架構(gòu)的優(yōu)勢是器件的應(yīng)力較低；其主要缺點(diǎn)是，ZVS(零壓開關(guān))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)(摘自參考文獻(xiàn)6)。
Delphi集成和布線
Delphi集成了本文討論的所有元器件和其它一些混合電動(dòng)汽車功率電子器件 (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)高度集成(摘自參考文獻(xiàn)7)。
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(摘自參考文獻(xiàn)7中的Delphi部分)。
電力車輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
“輪轂電機(jī)電動(dòng)汽車應(yīng)用中電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)”(參考文獻(xiàn)8)一文推薦了一種適合混合動(dòng)力汽車和電動(dòng)汽車的輪轂驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，一種提供計(jì)算性能的輪轂驅(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(BLDC)電機(jī)根據(jù)文獻(xiàn)設(shè)計(jì)制造而成，安裝在混合動(dòng)力汽車車輪的輪輞內(nèi)。
另外，兩個(gè)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的后輪也安裝在菲亞特的Linea車上。通過對方向盤的角度進(jìn)行檢測，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)之間通過CAN總線進(jìn)行通信。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)。
圖10：一個(gè)后輪的無刷直流電機(jī)圖像(摘自參考文獻(xiàn)8)。
這種設(shè)計(jì)選擇了帶集中線圈的無刷直流電機(jī)，因?yàn)樗哂泻艿偷墓β手亓勘群秃芨叩男?，并且容易控制?/div>
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)型無刷直流電機(jī)分解圖(摘自參考文獻(xiàn)8)。
驅(qū)動(dòng)器
無刷直流電機(jī)的電力驅(qū)動(dòng)器由一個(gè)集成的電源模塊(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換流控制和電機(jī)脈寬調(diào)制(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。今后肯定還會(huì)涌現(xiàn)出更多的開發(fā)成果，進(jìn)一步改進(jìn)這些系統(tǒng)，使我們的地球受益。
參考文獻(xiàn)
- Silicon Carbide Power Electronics for Electric Vehicles, Andrii Stefanskyi, ?ukasz Starzak,Andrzej Napieralski, 2015 Tenth International Conference on Ecological Vehicles and Renewable Energies (EVER)
- Gallium Nitride Semiconductors in Power Electronics for Electric Vehicles: Advantages and Challenges, Adrien Letellier, Maxime R. Dubois, João P. Trovão, Hassan Maher, IEEE 2015
- Voltage Control for Enhanced Power Electronic Efficiency in Series Hybrid Electric Vehicles, Mark Roche, Wassif Shabbir, and Simos A. Evangelou, IEEE 2016
- Infineon main HEV inverter
- Driving the green revolution in transportation, Karl-Heinz Steinmetz, Texas Instruments
- High Efficiency Wide Range Bidirectional DC/DC Converter for OBCM Application, Gang Liu, Dan Li, Jian Qiu Zhang, Min Li Jia, IEEE 2014
- Advancing Automotive Innovation Hybrid & Electric Vehicle Systems, Delphi.
- Design and Implementation of an Electric Drive System for In-Wheel Motor Electric Vehicle Applications, R.Nejat Tuncay, Ozgur Ustun, Murat Yilmaz, Can Gokce, Utku Karakaya, IEEE 2011
本文來源于電子技術(shù)設(shè)計(jì)。
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