電動(dòng)汽車(chē)電源管理技術(shù)最新進(jìn)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。由石化燃料引擎驅動(dòng)的汽車(chē)是罪魁禍首，雖然推動(dòng)汽車(chē)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(chē)中整合一種全新架構的動(dòng)力傳動(dòng)系統，這種新增加的組件要求相對應的系統組件進(jìn)行多學(xué)科的深入研究。電動(dòng)汽車(chē)系統由電動(dòng)馬達、電力轉換器和儲能裝置如鋰離子電池組成，這種新的架構系統必須經(jīng)過(guò)優(yōu)化來(lái)最大限度地提高系統效率，使汽車(chē)在單次充電便能達到最長(cháng)的行駛距離，電子技術(shù)的發(fā)展為減少交通運輸的氣體排放量帶來(lái)重要的推進(jìn)力。

電動(dòng)汽車(chē)（EV）和混合動(dòng)力汽車(chē)（HEV）

電動(dòng)汽車(chē)靠電池行駛，混合動(dòng)力汽車(chē)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(chē)供電的技術(shù)要想獲得成功并擁有美好的未來(lái)，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換為車(chē)輪機械驅動(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(zhù)降低碳排放。

電動(dòng)汽車(chē)的碳化硅（SiC）功率

電動(dòng)汽車(chē)的重量、體積和成本，以及單次充電的行駛距離與電力轉換系統的效率直接相關(guān)。SiC電源組件非常適合在汽車(chē)常見(jiàn)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效率。

更輕的重量意味著(zhù)里程數的延長(cháng)。降低電源轉換系統的重量、成本和尺寸的一種典型方式是提高開(kāi)關(guān)穩壓器的開(kāi)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）的半導體組件，而較寬的能隙意味著(zhù)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通電阻，從而實(shí)現更快的開(kāi)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(lái)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)，也是針對大功率解決方案的改進(jìn)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），很高的熱傳導性（在多晶SiC中），在電場(chǎng)中實(shí)現快速開(kāi)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(lái)的更低的生產(chǎn)成本，以及很高的閾值能量導致更強的輻射硬化（radiaTIon hardening）。

SiC 組件在電動(dòng)汽車(chē)中有許多關(guān)鍵應用?，F有的電力牽引驅動(dòng)裝置能夠將85%的電能轉換為機械動(dòng)能以驅動(dòng)車(chē)輪，這個(gè)效率是相當高的，但SiC也能協(xié)助提高效率。電能轉換器能受益于效率的改進(jìn)，因為它能將電池能量傳遞給發(fā)動(dòng)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(dòng)汽車(chē)中有許多用途。

將 750V轉換到27V供低壓電動(dòng)汽車(chē)使用的SiC電源供應，是用SiC功率組件提高電動(dòng)汽車(chē)效率的很好例子。這種架構將效率從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(lái)冷卻多余的熱量。表1顯示電動(dòng)汽車(chē)SiC功率組件的一些重要應用。

表 1 電動(dòng)汽車(chē)電子架構中的一些SiC應用。（PCU是指電源控制單元；APS是指輔助電源）（表格來(lái)源：2015 Tenth InternaTIonal Conference on Ecological Vehicles and Renewable Energies）

電動(dòng)汽車(chē)的GaN功率

GaN 對于電動(dòng)汽車(chē)的電源改進(jìn)也功不可沒(méi)。馬達驅動(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。這些設計的開(kāi)關(guān)時(shí)間通常在 10k~100kHz數量級，而GaN組件的開(kāi)關(guān)時(shí)間可以達到奈秒（ns）級，并且能夠輕松地在200℃的汽車(chē)環(huán)境下工作。

就像SiC一樣，GaN組件由于具有更高的開(kāi)關(guān)速度，因此也能縮小電源架構中電感、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。

我們將根據電動(dòng)汽車(chē)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(cháng)的距離，同樣需要提高電源轉換架構的效率。

Si組件的開(kāi)關(guān)速度和最小導通電阻已經(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(shí)驗表明，如果開(kāi)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)域表現相當卓越：高溫工作、更高的擊穿電壓、低導通電阻及適合更高工作頻率的奈米級開(kāi)關(guān)速度。這些優(yōu)勢和GaN與SiC類(lèi)似，而它們的區別有兩點(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(wèn)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)導通 （normally-on）組件，因此0V的柵極電壓將形成導通狀態(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完美結合，生產(chǎn)成本就能顯著(zhù)降低。在2014年，一個(gè)新的級聯(lián)架構實(shí)現將常態(tài)導通組件變?yōu)槌啵╪ormally-off）組件。

自此以后，驅動(dòng)技術(shù)獲得長(cháng)足發(fā)展，整合度越來(lái)越高，電源逆變器也有顯著(zhù)進(jìn)步。GaN組件在電動(dòng)汽車(chē)的電池充電器中也有不凡表現，這些充電器由交流/直流轉換器加直流/直流轉換器組成。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(chē)電源架構。

利用GaN，加上開(kāi)關(guān)速度更高的GaN HEMT，可以實(shí)現更小的被動(dòng)組件。增加的頻率透過(guò)較小的電感將功率架構引向較低的漣波（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力也更小，從而提高其可靠性和壽命。

過(guò)去幾年來(lái)GaN的可靠性已經(jīng)被提高到一個(gè)很高的標準，這是GaN在汽車(chē)中使用的關(guān)鍵。

利用混合動(dòng)力汽車(chē)傳動(dòng)系統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(chē)產(chǎn)生。改進(jìn)混合動(dòng)力汽車(chē)傳動(dòng)系統設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電壓控制架構的效率，這意味著(zhù)首先需要提高串聯(lián)型混合動(dòng)力汽車(chē)傳動(dòng)系統的電源轉換器效率。

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

圖3 混合動(dòng)力汽車(chē)的傳動(dòng)系統框圖。

在 DC-link和電池電壓不相等的設計拓撲中，直流/直流轉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(chē)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的許多方法以及用于各種DC-link電壓和直流/直流轉換器控制的方案。

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DAB直流/直流轉換器橋柵極開(kāi)關(guān)波形之間的相移。這種轉換器位于串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車(chē)傳動(dòng)系統的 DC-link和電池之間，如圖4所示。在這種情況下，控制器使直流/直流轉換器電能損耗及整個(gè)傳動(dòng)系統的損耗都變得更低。

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

在這個(gè)模型中，柴油機是混合動(dòng)力汽車(chē)的主要動(dòng)力源，直流電池是次級動(dòng)力源。管理控制系統（SCS）根據電池電量狀態(tài)（SOC）和馬達負載來(lái)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(chē)中，DC-link電壓將抑制條件施加于與單位調制指數對應的PMSM和PMSG的理想工作區，這樣系統就能避免出現導致訊號失真并降低系統效率的過(guò)調狀態(tài)。將調制指數保持接近1，可以提高傳動(dòng)系統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(kāi)關(guān)過(guò)程是其效率損失的主要因素，因此降低開(kāi)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永久零壓開(kāi)關(guān)（ZVS）機制最適合具有高混合因子（HF）的汽車(chē)，特別是在城市環(huán)境中?；旌弦蜃邮侵竵?lái)自電源的裝機功率與總裝機功率之比。這個(gè)混合因子會(huì )影響混合動(dòng)力汽車(chē)中的燃油消耗。

汽車(chē)逆變器

主電源逆變器控制著(zhù)電力傳動(dòng)系統中的馬達，是混合動(dòng)力汽車(chē)/電動(dòng)汽車(chē)中的一個(gè)重要裝置。電源逆變器就像引擎汽車(chē)中的發(fā)動(dòng)機管理系統（EMS）一樣決定著(zhù)駕駛行為。這種逆變器適用于任何馬達，比如同步、異步或無(wú)刷馬達，由整合的電子PCB控制。這塊PCB板是汽車(chē)制造商專(zhuān)門(mén)設計的，用于最大程度地減少開(kāi)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?；旌蟿?dòng)力汽車(chē)/電動(dòng)汽車(chē)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(chē)/電動(dòng)汽車(chē)中的英飛凌主逆變器框架圖。（圖片來(lái)源：英飛凌）

雙電壓電池系統

管理好混合動(dòng)力汽車(chē)和電動(dòng)汽車(chē)中的電池要求使用高壓技術(shù)。結合了12V和48V電池的雙電壓系統需要雙向的直流/直流轉換，如圖6所示，目的是保護電路，支持架構化功能。

圖6 48V到12V的雙向直流/直流轉換器。

另外，汽車(chē)架構設計中通常有一個(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(chē)或插電式混合動(dòng)力汽車(chē)（PHEV）充電。反之，電動(dòng)汽車(chē)和插電式混合動(dòng)力汽車(chē)可以用作能源，也可整合可再生能源的智能電網(wǎng)中以用作儲能設備。智能電網(wǎng)工作時(shí)考慮到給電動(dòng)汽車(chē)和插電式混合動(dòng)力汽車(chē)智能充放電，這也是OBCM必須是雙向直流/直流充電器的原因。

這種設計的最佳架構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(kāi)關(guān)功能，在最小開(kāi)關(guān)頻率點(diǎn)具有最大的功率傳送性能。與單向電源流轉換器相比，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(wèn)題在未來(lái)的設計中必須解決。

圖7 設計師有時(shí)使用調制過(guò)的DAB轉換器控制簡(jiǎn)單高頻隔離，這種架構的優(yōu)勢是組件的應力較低；其主要缺點(diǎn)是，ZVS無(wú)法擴展到整個(gè)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換器是一種更好的架構。

Delphi整合和布線(xiàn)

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(chē)功率電子組件（圖8），這令人驚嘆。

圖8 Delphi在混合動(dòng)力汽車(chē)/電動(dòng)汽車(chē)中實(shí)現高度整合。

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

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

電力車(chē)輪驅動(dòng)系統

《電動(dòng)汽車(chē)應用電動(dòng)驅動(dòng)系統的設計與實(shí)現（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(chē)和電動(dòng)汽車(chē)的馬達驅動(dòng)系統，一種提供計算性能的馬達驅動(dòng)混合動(dòng)力汽車(chē)的Matlab SIMULINK模型已開(kāi)發(fā)成功。兩個(gè)14kWDC無(wú)刷直流馬達根據文獻設計制造而成，安裝在混合動(dòng)力汽車(chē)車(chē)輪的輪緣內。

圖10 一個(gè)后輪的無(wú)刷直流馬達圖。

另外，兩個(gè)獨立驅動(dòng)的后輪也安裝在菲亞特（Fiat）Linea車(chē)上。透過(guò)對方向盤(pán)的角度進(jìn)行檢測，電子控制技術(shù)取代了機械差動(dòng)裝置。汽車(chē)的電力驅動(dòng)控制系統和電子控制單元（ECU）之間透過(guò)CAN總線(xiàn)進(jìn)行通訊，電力驅動(dòng)后輪和ICE驅動(dòng)的前軸之間實(shí)現了成功的級聯(lián)。

這種設計選擇了帶集中線(xiàn)圈的無(wú)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(chē)輪輪輞和電動(dòng)發(fā)電機裝置中的直接驅動(dòng)型無(wú)刷直流馬達分解圖。

驅動(dòng)器

無(wú)刷直流馬達的電力驅動(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)電子控制系統組成。驅動(dòng)器軟件開(kāi)發(fā)用于IGBT換流控制和脈沖寬度調變（PWM）電壓控制。系統具有光耦隔離、電流和溫度保護，而且系統中還嵌入了速度、電流和電壓傳感器。

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