最新的电动汽车动力管理---凯利讯半导体

　　拯救我们的星球免受污染!这是全世界科学家和有关人员呼吁减少温室气体排放的呼声。世界范围内通过化石燃料发动机驱动的汽车是一个巨大的罪魁祸首。虽然有几种方案可以推动汽车，但今天只有一种方法可以使用：电力。

　　进入电力推进技术，将全新的建筑动力传动系统集成到车辆中。这一新增加需要对适当的系统组件进行多学科研究。电动汽车系统由电动机，电力电子转换器和锂离子电池等储能装置构成。新架构系统必须进行优化，以最大限度地提高系统效率，以便在单次充电时获得最大驱动距离。所有这些电子技术都带来了减少交通排放的重大举措。

　　电动车辆(EV)和混合电动车辆(HEV)

　　电动车辆(EV)以混合动力电动车辆(HEV)运行，电动车辆也具有化石燃料燃烧发动机辅助系统。能源效率对于这些技术为这些车辆提供动力的成功和未来至关重要，因此需要巧妙的电力管理方案，以最大限度地提高电池能量转换为车轮机械驱动的效率，从而增加一次充电的里程能力，而不会增加碳排放量以及理想的显着降低碳排放量。

　　电动汽车中的碳化硅(SiC)电源1

　　电动汽车的重量，体积和成本以及单次充电的可行驶距离直接关系到其电子电力转换系统的效率。SiC功率元件能够在汽车经历的高温环境中运行得非常好。我们来仔细看看碳化硅功率元件在提高这些系统的效率。

　　更低的重量意味着更长的里程。降低功率转换系统的重量，成本和尺寸的一种典型方式是提高开关调节器的开关频率。在更高的频率下，我们知道有源元件如电感器，电容器和变压器的尺寸和重量会缩小。输入碳化硅溶液。

　　虽然硅(Si)功率器件也可以在高频下工作，但是SiC具有能够处理比Si更高的电压的优点。SiC是一种宽带隙半导体器件，宽带隙转化为更高的临界场(临界场是截止态的阻断电压)。宽带隙(WBG)SiC器件的高电压能力允许它们实现更低的导通状态电阻，从而导致更快的开关速度和单极操作，部分原因在于其载流子需要被加速到更高的速度(更高的动能)以克服那更大的差距1。

　　虽然砷化镓(GaAs)和氮化镓(GaN)也具有很高的临界电场，并且也是高功率解决方案的改进，但SiC还具有其他优点，如最高工作温度更高，德拜温度高，热导率高SiC)，载流子饱和速度快，在电场中开关速度快，电阻率低，易形成二氧化硅(SiO 2)，生产成本低，阈值能量高，辐射硬化能力强。

　　碳化硅器件在电动汽车中有许多关键的应用。现有的电力牵引驱动器目前能够将其功率的85%转换成机械能到车轮，这非常有效，但是SiC也可以帮助提高效率。这是电子功率转换器，可以通过提高效率获益，因为它可用于将电池电力引入发动机，也可用于充电器电路和任何辅助电源需求(图1)。

　　

　　图1 SiC功率器件在电动汽车中有许多用途(图片由参考文献1提供)。

　　SiC功率器件如何提高电动汽车效率的一些很好的例子是基于SiC的电源，将低压EV总线转换成750V到27V。这种架构将效率从88%提高到了96%，与Si解决方案相比，将尺寸和重量减少了25%，并且无需风扇来冷却多余的热量。表1给出了电动汽车中功率器件的一些重要应用。表中提到的参考可以通过访问本文末尾的参考1找到。

　　

　　(PCU是电源控制单元，APS是辅助电源)

　　表1 EV电子结构中的一些SiC应用

　　电动汽车中的GaN功率2

　　对于电动汽车的功率改进来说，氮化镓(GaN)是毫不费力的。迄今为止，IGBT在电机驱动和DC / DC控制中的广泛应用一直是以硅为基础的。这些设计展现的切换时间在10至100千赫左右，而氮化镓器件能够达到纳秒级的切换时间，并且可以在200摄氏度的汽车环境下轻松操作。

　　氮化镓与碳化硅一样，也将以更高的开关速度能力缩小电源架构中的电感，电容和变压器的尺寸。随着这些无源器件尺寸的减小，它们也减小了体积和重量。

　　我们将根据电动汽车中的电池化学特性，如锂基化学品和镍氢电池，以及其高能量密度能力，来研究功效。如前面的SiC器件部分所述，功率转换架构中的效率需要改进，以便在单次充电时驱动更大的距离。

　　随着硅器件在开关速度和最低导通电阻方面达到最大限度，GaN看起来像是超越这些限制的选择的解决方案。实验表明，如果开关频率可以提高五倍，电感和电容的体积可以减少五倍。在今天的氮化镓技术中，速度可能非常高。

　　氮化镓功率器件作为功率元件在四个关键领域表现突出：高温工作，高击穿电压，低导通电阻和纳秒开关范围，以实现上述高频工作优势。因此，GaN在这些优势上看起来与SiC类似，但是另外两个点将它们分开，即LED和RF晶体管已经用GaN生产，并且许多Si制造工艺与GaN工艺兼容，这降低了晶圆的成本，与SiC基板成本较高相关的成本。

　　今天的技术已经显示了第一个GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)器件的生产，因为早在2003年就征服了它们的可靠性问题。这些是常开器件，所以0V的栅极电压导致导电状态和任何电压比0会关闭设备。在早期使用SiC衬底，但是一旦Si衬底完善用于GaN，生产成本显着下降。2014 年实现了一个新的级联架构2，将常开设备更改为常关设备。

　　自早期以来，驾驶员技术有了显着的改善，整合的程度也越来越高。电力逆变器也取得了重大进展。氮化镓器件在电动汽车的电池充电器方面表现优异，由交流/直流转换器级和直流/直流转换器组成。这个组合是功率因数控制器(PFC)(图2)。

　　

　　图2典型的EV电源架构

　　同样在这里，用GaN来实现更小的无源元件，GaN HEMT具有更高的开关速度能力。增加的频率通过较小的电感将电源架构引向较低的纹波电流。由此实现了改进的功率因数，并由此给我们提供了更小和更低成本的电容器。较低的纹波电流也对电容器提供较小的应力，从而提高其可靠性和使用寿命。

　　氮化镓可靠性在过去的几年中已经提高到非常高的水平，这是其在汽车中使用的关键。

　　降低全球温室气体(GHG)排放量与HEV动力总成效率3

　　今天，道路车辆产生大约72%的运输排放。改进HEV动力总成的设计以提高效率可能是降低这些排放的重要组成部分。一种建议的方法是提高DC链路电压控制结构的效率。这意味着一系列混合动力汽车动力总成中的功率转换器的效率需要作为第一大步骤进行改进。

　　直流链路通常连接与串联混合动力车相关的三个动力系统支路：由三相整流器组成的主电源; 由双有源电桥(DAB)DC / DC转换器构成的次级电源; 和由三相逆变器组成的推进负载(图3)。

　　

　　图3 HEV动力总成结构图(图片由参考文献3提供)

　　在直流链路和电池电压不相等的设计拓扑中，需要DC / DC转换器中间解决方案。“混合动力电动车辆系列增强电力电子效率的电压控制”(参考文献3)论文概述了针对这些情况的不同架构的研究方法以及可变直流链电压和DC / DC转换器控制的想法。

　　在本节中，我们将介绍一种比例控制法则，该比例控制法则将控制用于DC链路和电池之间的DAB DC / DC转换器的电桥的栅极开关波形之间的相移的动态DC链路电压如图4所示的一系列HEV动力总成。在这种情况下，控制器能够实现DC / DC转换器以及整个动力系统的较低功率电子损耗。

　　

　　

　　图4控制原理图中显示了HEV动力总成互连。内燃机(ICE)，无级变速器(CVT)，永磁同步发电机(PMSG)或HEV中的主电源，永磁同步电机(PMSM)或HEV中的推进负载是显示的系统。(图片由参考文献3提供)

　　在这个模型中，柴油发动机是混合动力汽车的主要动力来源，直流电池是次要来源。监控系统(SCS)根据电池的充电状态(SOC)和电机负载来控制由这两个电源各自提供的电力的相对部分。

　　实质上，在该系列HEV中，DC链路电压对PMSM的期望工作区域和对应于统一调制指数的PMSG施加限制条件; 使系统免于过调制状态，这会使系统信号失真，从而阻碍系统效率目标。在动力总成的电力电子系统中，通过保持调制指数接近于1，可以提高整体效率，这最大化逆变器和整流器效率，其中效率损失的主要来源是开关过程。因此降低开关电压将会提高效率。

　　这种持续零电压开关(PZVS)方案，最大限度地减少功率损耗，最适合于高杂交因子的车辆，特别是在城市环境中。杂交因子(HF)表示来自电源的安装功率与总安装功率之间的比率。该HF影响HEV中的燃料消耗。

　　汽车逆变器4

　　主变频器控制电子传动系统内部的电动机，是HEV / EV中的重要组成部分。功率逆变器就像发动机管理系统(EMS)在燃烧车辆中那样确定驾驶行为。该逆变器可用于任何电机，如同步，异步或无刷直流，并由集成电子PC卡控制，自动制造商专门设计，以最大限度地降低开关损耗，并最大限度地提高热效率。变频器的另一个功能是捕获通过再生制动释放的能量，并反馈给电池以增加电量。HEV / EV的范围与主逆变器的效率直接相关(图5)。

　　

　　图5英飞凌HEV / EV主变频器示意图(图片由英飞凌提供，参考文献4)

　　双电压电池系统5,6

　　管理HEV和EV的电池需要高压技术。结合12V和48V电池的双电压系统需要双向DC / DC转换，如图6所示，以保护电路并实现架构功能。

　　

　　图6 48V至12V双向DC / DC转换器

　　此外，通常将单相3.5kW或7kW的车载充电器模块(OBCM)设计到汽车架构中，以从电网向EV或插电式混合动力电动车辆(PHEV)充电。相反，电动汽车和插电式混合电动汽车可以作为能源，也可以作为与可再生能源相结合的智能电网中的储能装置。智能电网运行考虑智能充电和放电电动汽车和插电式混合动力汽车，这就是为什么OBCM需要成为一个双向DC / DC充电器。

　　这种类型的设计中最好的架构的一些建议提出了一种升压串联谐振双向拓扑结构，如图7所示。这种结构在谐振频率以上工作，零电压换向和最小开关频率下的最大功率传输。将这种技术与单向功率流量转换器相比较，涉及用MOSFET整流器代替二极管整流器。该解决方案还具有高效率和宽电池续航能力。图7中的这种架构的一个主要缺陷是整流桥的高关断损耗将在未来的设计中需要解决。

　　

　　图7设计人员有时使用调制DAB转换器来控制简单，高频率的隔离和低设备应力，这是该架构的优势; 然而，其主要缺点是其ZVS范围不能延伸到全输出范围，特别是在轻负载下。图中所示的更好的架构是升压型串联谐振双向变换器(图片由参考文献6提供)。

　　Delphi 7集成和布线

　　德尔福完成了我们在本文中讨论过的所有内容，以及更多关于混合动力电动车(HEV )中的电力电子设备的杰出工作(图8)。

　　

　　图8 Delphi在HEV / EV中的高集成度

　　我们不要忘记在HEV / EV中适当的内部连接器的重要性(图9)。

　　

　　图9在HEV / EV中最小化质量至关重要。德尔福在小规模电缆技术，绝缘材料和铜的替代品(如铝)方面有所创新，甚至使用了一些特殊的专利合金。

　　电子四轮驱动系统8

　　在“轮毂电机电动车应用电驱动系统的设计与实现”(参考文献8)中提出了用于HEV和EV的轮毂驱动系统，并且利用计算的性能开发了轮毂驱动的HEV的Matlab SIMULINK模型。两个15千瓦直流无刷直流(BLDC)电机的设计和制造位于混合动力汽车车轮的轮圈内。

　　此外，两个独立驱动的后轮也安装在菲亚特Linea上。基于方向盘角度的检测，机械差速器被电子控制技术取代。在电驱动控制系统和车辆电子控制单元(ECU)之间设计了CAN总线通信。电驱动后轮和ICE驱动的前轴之间的串联动作成功实现。

　　

　　图10后轮之一的BLDC电机图片

　　由于其功率重量比低，效率高，易于控制，选用集中绕组的无刷直流电机。

　　

　　图11轮圈和电动发电机组中的直接驱动BLDC电机的分解图

　　司机

　　BLDC电机电子驱动器由一个集成电源模块(IPM)，一个8位微控制器和一个电子控制系统组成。驱动器的软件被开发用于控制IGBT的换向和电机的脉宽调制(PWM)电压控制。该系统具有光电隔离，电流和温度保护以及速度，电流和电压传感器也被插入到系统中。

　　所以在这篇文章中，我们试图让你看看过去几年里关于电动汽车和混合动力汽车动力管理的各种最新发展。当然还有更多的发展将会进一步改善这些系统并使我们的星球受益，随着技术的日益成熟。