模塊化多電平逆變器：將直流電轉換為交流電

保時(shí)捷Engineering 開(kāi)發(fā)了用于電動(dòng)汽車(chē)的“交流電池”概念，它將眾多組件組合在一個(gè)部件中。它由標準化的控制單元概念控制，具有特別強大和實(shí)時(shí)能力的計算平臺。該系統是作為可行性研究的一部分開(kāi)發(fā)的，在測試臺上進(jìn)行了測試，并在車(chē)輛中進(jìn)行了演示。

電動(dòng)汽車(chē)的驅動(dòng)系統通常由單獨的組件組成：帶有電池管理系統的高壓電池、用于控制電動(dòng)機的電力電子設備和用于使用交流電源充電的車(chē)載充電器。電力電子設備使用脈沖逆變器將高壓電池的直流電壓轉換為牽引電機的正弦三相交流電壓。

這種結構已經(jīng)證明了它在當前車(chē)輛中的有用性，但將來(lái)可能會(huì )進(jìn)一步改進(jìn)?！捌?chē)行業(yè)的趨勢是高度集成的組件，”保時(shí)捷工程公司專(zhuān)業(yè)項目經(jīng)理 Thomas Wenka 說(shuō)?！斑@在外殼尺寸、重量和成本降低、可靠性和效率方面開(kāi)辟了新的可能性?！弊鳛榭尚行匝芯康囊徊糠?，保時(shí)捷工程公司的開(kāi)發(fā)團隊利用組件的高集成度開(kāi)發(fā)了交流電池系統。它將電池管理系統、脈沖逆變器、低壓 DCDC 和車(chē)載充電器等通常獨立的功能集成到一個(gè)組件中。

在這項研究中，保時(shí)捷工程集團的開(kāi)發(fā)人員將電驅動(dòng)的高壓電池分為 18 個(gè)單獨的電池模塊，分布在三個(gè)階段。它們可以通過(guò)功率半導體開(kāi)關(guān)單獨控制。各個(gè)電池模塊作為分布式實(shí)時(shí)系統靈活互連到模塊化多電平串聯(lián)并聯(lián)轉換器 （MMSPC） 中，可實(shí)現電壓曲線(xiàn)的動(dòng)態(tài)建模，從而可以直接從電池模塊的直流電壓產(chǎn)生電機的正弦三相交流電壓?！笆褂?MMSPC，既可以在駕駛時(shí)直接控制電動(dòng)驅動(dòng)電機，也可以直接連接到交流電網(wǎng)為電池充電，”保時(shí)捷工程專(zhuān)業(yè)項目經(jīng)理 Daniel Simon 解釋道。

眾多技術(shù)優(yōu)勢

其他優(yōu)點(diǎn)包括更容易擴展到各種傳動(dòng)系統變體，以及在維修期間或發(fā)生事故時(shí)更安全地處理載流部件?！叭缓?MMSPC 關(guān)閉，系統有效地恢復到其各個(gè)模塊，這意味著(zhù)仍然只能測量模塊電壓，”Wenka 說(shuō)。此外，如果單個(gè)電池單元可能存在缺陷，則由于智能控制系統會(huì )繞過(guò)受影響的電池模塊，因此故障保護功能會(huì )增加。這使得在降低功率的情況下實(shí)現到最近的車(chē)間的所謂跛行回家功能成為可能。使用傳統電池時(shí)，這會(huì )導致車(chē)輛故障。交流電池的概念還為通過(guò)脈沖充電實(shí)現快速充電能力提供了技術(shù)潛力。

實(shí)施交流電池概念的一個(gè)主要挑戰是開(kāi)發(fā)一個(gè)強大而快速的中央控制單元，該單元可以精確控制各個(gè)電池模塊。Simon 說(shuō)：“在正弦波建模中，電池模塊的動(dòng)態(tài)重新配置是通過(guò)底層分布式系統實(shí)現的，該系統必須滿(mǎn)足所有情況下的實(shí)時(shí)要求?！爱吘?，延遲切換模塊會(huì )導致電池組和相關(guān)電力電子設備出現缺陷?！?/p>

實(shí)時(shí)計算平臺

在推出交流電池概念的同時(shí)，保時(shí)捷工程集團的電子專(zhuān)家還開(kāi)發(fā)了一種控制單元，該控制單元具有特別強大的實(shí)時(shí)、統一和高度集成的計算平臺。交流電池的各個(gè)功能，例如電機和電池管理以及充電功能，都在其上并行運行?？刂茊卧脚_由兩個(gè)元件組成，一個(gè)是項目特定的基板，另一個(gè)是獨立于項目的系統模塊形式的計算單元，具有與基板的統一接口。

“處理單元代表一個(gè)異構多處理器平臺，并作為單個(gè)片上系統運行。它結合了現場(chǎng)可編程門(mén)陣列 （FPGA）（一種帶有可編程硬件的集成電路），用于對系統的實(shí)時(shí)能力進(jìn)行數據控制和監控，并結合了一個(gè)強大的多核處理器，用于在單個(gè)組件中處理大量數據，“Simon 解釋道。

“FPGA 可以接管復雜的計算，以減輕處理器的負擔并補充缺失的外設，與通常的純微控制器解決方案相比，這在可擴展性和靈活性方面具有顯著(zhù)優(yōu)勢。通過(guò)選擇片上系統系列中的衍生產(chǎn)品，性能可以從基本的 ECU 要求（如 I/O 驅動(dòng)、通信網(wǎng)關(guān)或電力電子設備）擴展到具有額外 GPU 和視頻編解碼器要求的復雜 ADAS 系統。

該方法的一個(gè)特點(diǎn)是控制單元功能的以軟件為中心實(shí)現?！耙粋€(gè)部件在處理器上運行，該處理器使用 FPGA 進(jìn)行快速控制和最佳開(kāi)關(guān)策略，并最終同步控制所有模塊。這可以通過(guò)軟件實(shí)現動(dòng)態(tài)重配置。然而，要做到這一點(diǎn)，模塊上的電力電子設備必須實(shí)施這種開(kāi)關(guān)策略，“Simon 說(shuō)?！巴ㄟ^(guò)使用 CPU 和 FPGA 的片上系統方法，我們實(shí)現了普通微控制器無(wú)法實(shí)現的硬實(shí)時(shí)功能?！?/p>

保時(shí)捷工程集團與新的控制單元平臺一起，在各種原型中實(shí)施了交流電池的概念，并在測試臺上成功進(jìn)行了測試。該系統還被集成到測試車(chē)輛中，以演示其基本功能?！伴_(kāi)發(fā)新的控制單元平臺對于交流電池來(lái)說(shuō)是絕對必要的。然而，由于它可以靈活調整，它已成為一個(gè)將繼續的獨立項目，“Wenka 說(shuō)。對于新項目，系統級模塊和一些相關(guān)軟件可以重復使用，并且基板的功能可以輕松升級，以包括所需的硬件功能和接口。

因此，控制單元可以靈活地適應新的要求，因此適用于所有需要高計算能力和實(shí)時(shí)能力的應用，并且在正在進(jìn)行的項目中，要求仍然可能發(fā)生變化。Simon 解釋說(shuō)：“這使得控制單元系統級模塊上的片上系統獨立于項目的組合也可以很好地處理其他復雜任務(wù)，這使其成為原型開(kāi)發(fā)功能原型平臺的不錯選擇。

與傳統原型 ECU 相比，其優(yōu)勢包括更快的功能開(kāi)發(fā)，僅舉一個(gè)例子：硬件提供了高計算儲備，基礎軟件和現有軟件塊可以用作控制單元開(kāi)發(fā)的非常好的起點(diǎn)?！澳壳坝媱澰诒r(shí)捷工程公司最初使用新的控制單元平臺進(jìn)行原型開(kāi)發(fā)，”Wenka 報道?！叭欢?，原則上，這個(gè)概念也適用于稍作修改的系列應用?！?/p>