電動汽車電源管理技術(shù)最新進展

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

電動推進技術(shù)需要在汽車中整合一種全新架構(gòu)的動力傳動系統(tǒng)，這種新增加的組件要求相對應(yīng)的系統(tǒng)組件進行多學(xué)科的深入研究。電動汽車系統(tǒng)由電動馬達、電力轉(zhuǎn)換器和儲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到最長的行駛距離，電子技術(shù)的發(fā)展為減少交通運輸?shù)臍怏w排放量帶來重要的推進力。

電動汽車（EV）和混合動力汽車（HEV）

電動汽車靠電池行駛，混合動力汽車也一樣，只是它還利用一個石化燃料點火的引擎作為輔助。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制，最大化地提高將電池能量轉(zhuǎn)換為車輪機械驅(qū)動力的效率，從而增加單次充電的行駛距離，同時不增加碳排放，理想情況下更是能顯著降低碳排放。

電動汽車的碳化硅（SiC）功率

電動汽車的重量、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。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，在較高頻率點工作時，電感、電容和變壓器等主動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（臨界電場是關(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，也是針對大功率解決方案的改進型組件，但SiC還有其他優(yōu)勢。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），在電場中實現(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)致更強的輻射硬化（radiaTIon hardening）。

SiC 組件在電動汽車中有許多關(guān)鍵應(yīng)用。現(xiàn)有的電力牽引驅(qū)動裝置能夠?qū)?5%的電能轉(zhuǎn)換為機械動能以驅(qū)動車輪，這個效率是相當(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，因為它能將電池能量傳遞給發(fā)動機，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電源組件在電動汽車中有許多用途。

將 750V轉(zhuǎn)換到27V供低壓電動汽車使用的SiC電源供應(yīng)，是用SiC功率組件提高電動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顯示電動汽車SiC功率組件的一些重要應(yīng)用。

表 1 電動汽車電子架構(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）

電動汽車的GaN功率

GaN 對于電動汽車的電源改進也功不可沒。馬達驅(qū)動和直流/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)計的開關(guān)時間通常在 10k~100kHz數(shù)量級，而GaN組件的開關(guān)時間可以達到奈秒（ns）級，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，還能因被動組件尺寸的縮小而減少總體積和重量。

我們將根據(jù)電動汽車電池的化學(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)達到最大極限，GaN似乎是超越這些極限的一種可行的方案。實驗表明，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開關(guān)速度。這些優(yōu)勢和GaN與SiC類似，而它們的區(qū)別有兩點：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GaN高電子遷移率晶體管（HEMT）組件進行投產(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，一個新的級聯(lián)架構(gòu)實現(xiàn)將常態(tài)導(dǎo)通組件變?yōu)槌啵╪ormally-off）組件。

自此以后，驅(qū)動技術(shù)獲得長足發(fā)展，整合度越來越高，電源逆變器也有顯著進步。GaN組件在電動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，可以實現(xiàn)更小的被動組件。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。

利用混合動力汽車傳動系統(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。改進混合動力汽車傳動系統(tǒng)設(shè)計以提高其效率是降低排放的主要手段。一種方法是增強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)型混合動力汽車傳動系統(tǒng)的電源轉(zhuǎn)換器效率。

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

圖3 混合動力汽車的傳動系統(tǒng)框圖。

在 DC-link和電池電壓不相等的設(shè)計拓撲中，直流/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），該定律用于控制動態(tài)DC-link電壓以實現(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)式混合動力汽車傳動系統(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傳動系統(tǒng)的損耗都變得更低。

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

在這個模型中，柴油機是混合動力汽車的主要動力源，直流電池是次級動力源。管理控制系統(tǒng)（SCS）根據(jù)電池電量狀態(tài)（SOC）和馬達負載來控制這兩個動力源提供的動力比例。

事實上，在這種串聯(lián)型混合動力汽車中，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)致訊號失真并降低系統(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?；旌弦蜃邮侵竵碜噪娫吹难b機功率與總裝機功率之比。這個混合因子會影響混合動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系統(tǒng)中的馬達，是混合動力汽車/電動汽車中的一個重要裝置。電源逆變器就像引擎汽車中的發(fā)動機管理系統(tǒng)（EMS）一樣決定著駕駛行為。這種逆變器適用于任何馬達，比如同步、異步或無刷馬達，由整合的電子PCB控制。這塊PCB板是汽車制造商專門設(shè)計的，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釋放的能量，并回饋給電池充電?；旌蟿恿ζ?電動汽車的行駛距離與主逆變器的效率直接相關(guān)（圖5）。

圖5 混合動力汽車/電動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)

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

這種設(shè)計的最佳架構(gòu)是升壓系列諧振雙向拓撲，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)的一個主要缺點是整流橋在關(guān)斷時具有較大的損耗，這一問題在未來的設(shè)計中必須解決。

圖7 設(shè)計師有時使用調(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)勢是組件的應(yīng)力較低；其主要缺點是，ZVS無法擴展到整個輸出范圍，特別是在輕負載條件下。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汽車功率電子組件（圖8），這令人驚嘆。

圖8 Delphi在混合動力汽車/電動汽車中實現(xiàn)高度整合。

混合動力汽車/電動汽車中使用合適的內(nèi)部連接器也十分重要（圖9）。

圖9 混合動力汽車/電動汽車的關(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）方面有著重要創(chuàng)新。（圖片來源：Delphi）

電力車輪驅(qū)動系統(tǒng)

《電動汽車應(yīng)用電動驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計與實現(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力汽車和電動汽車的馬達驅(qū)動系統(tǒng)，一種提供計算性能的馬達驅(qū)動混合動力汽車的Matlab SIMULINK模型已開發(fā)成功。兩個14kWDC無刷直流馬達根據(jù)文獻設(shè)計制造而成，安裝在混合動力汽車車輪的輪緣內(nèi)。

圖10 一個后輪的無刷直流馬達圖。

另外，兩個獨立驅(qū)動的后輪也安裝在菲亞特（Fiat）Linea車上。透過對方向盤的角度進行檢測，電子控制技術(shù)取代了機械差動裝置。汽車的電力驅(qū)動控制系統(tǒng)和電子控制單元（ECU）之間透過CAN總線進行通訊，電力驅(qū)動后輪和ICE驅(qū)動的前軸之間實現(xiàn)了成功的級聯(lián)。

這種設(shè)計選擇了帶集中線圈的無刷直流馬達，因為它具有很低的功率重量比和很高的效率，并且容易控制。

圖11 車輪輪輞和電動發(fā)電機裝置中的直接驅(qū)動型無刷直流馬達分解圖。

驅(qū)動器

無刷直流馬達的電力驅(qū)動器由一個整合電源模塊（IPM）、一個8位的微控制器和一個電子控制系統(tǒng)組成。驅(qū)動器軟件開發(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，而且系統(tǒng)中還嵌入了速度、電流和電壓傳感器。

綜上所述，本文介紹了在電動汽車和混合動力汽車電源管理方面最近幾年的一些發(fā)展成果。今后勢必還會涌現(xiàn)更多的開發(fā)成果，進一步改進這些系統(tǒng)，使地球受益。