電動推進技術需要在汽車中整合一種全新架構的動力傳動系統,這種新增加的元件要求相對應的系統元件進行多學科的深入研究。電動汽車系統由電動馬達、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過優化來最大限度地提高系統效率,使汽車在單次充電便能達到最長的行駛距離,電子技術的發展為減少交通運輸的氣體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要想獲得成功並擁有美好的未來,能效是關鍵,因此需要智慧的電源管理機制,最大化地提高將電池能量轉換為車輪機械驅動力的效率,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。

電動汽車的碳化矽(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換系統的效率直接相關。SiC電源元件非常適合在汽車常見的高溫環境中工作。讓我們仔細看看SiC電源元件如何提高系統效率。

更輕的重量意味著里程數的延長。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關穩壓器的開關頻率。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元件的尺寸和重量可以縮小,既然如此,快採用SiC解決方案吧。

雖然矽(Si)電源元件也能工作在高頻,但SiC的優勢是能夠處理比Si高得多的電壓。SiC是一種寬能隙(wide band gap,WBG)的半導體元件,而較寬的能隙意味著較高的臨界電場(臨界電場是關斷狀態下的阻塞電壓)。寬頻隙SiC元件的高壓能力允許它們具有更低的導通電阻,從而實現更快的開關速度和單極性工作狀態,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元件,但SiC還有其他優勢。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),在電場中實現快速開關和低電阻率的高載流子飽和速度,方便生成二氧化矽(SiO2)帶來的更低的生產成本,以及很高的閾值能量導致更強的輻射硬化(radiation hardening)。

SiC元件在電動汽車中有許多關鍵應用。現有的電力牽引驅動裝置能夠將85%的電能轉換為機械動能以驅動車輪,這個效率是相當高的,但SiC也能協助提高效率。電能轉換器能受益於效率的改進,因為它能將電池能量傳遞給發動機,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)。

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圖1 SiC電源元件在電動汽車中有許多用途。



將750V轉換到27V供低壓電動汽車使用的SiC電源供應,是用SiC功率元件提高電動汽車效率的很好例子。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%,並且與Si解決方案相比不需要用風扇來冷卻多餘的熱量。表1顯示電動汽車SiC功率元件的一些重要應用。

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



電動汽車的GaN功率

GaN對於電動汽車的電源改進也功不可沒。馬達驅動和直流/直流控制中廣泛使用的絕緣柵雙極電晶體(IGBT)一直是基於Si的產品。這些設計的開關時間通常在10k~100kHz數量級,而GaN元件的開關時間可以達到奈秒(ns)級,並且能夠輕鬆地在200℃的汽車環境下工作。

就像SiC一樣,GaN元件由於具有更高的開關速度,因此也能縮小電源架構中電感、電容和變壓器的尺寸,還能因被動元件尺寸的縮小而減少總體積和重量。

我們將根據電動汽車電池的化學成分分析它們的功效,比如基於鋰的化學成分以及具有高能量密度的鎳氫電池(NiMH)。如前面SiC元件部分所述,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換架構的效率。

Si元件的開關速度和最小導通電阻已經達到最大極限,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技術可以支援很高的速度。

GaN功率元件在4個關鍵領域表現相當卓越: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關速度。這些優勢和GaN與SiC類似,而它們的區別有兩點:LED和射頻電晶體一直使用GaN;許多Si製程相容GaN製程,與SiC較高的基底成本相比,降低了晶圓成本及製程成本。

由於早在2003年就解決了可靠性問題,因此今天的技術成功讓第一個GaN高電子遷移率電晶體(HEMT)元件進行投產。這些都是常態導通(normally-on)元件,因此0V的柵極電壓將形成導通狀態,小於0V的任何電壓都將關斷元件。早期使用的是SiC基板(substrate),一旦Si基板能與GaN完美結合,生產成本就能顯著降低。在2014年,一個新的級聯架構實現將常態導通元件變為常斷(normally-off)元件。

自此以後,驅動技術獲得長足發展,整合度越來越高,電源逆變器也有顯著進步。GaN元件在電動汽車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數控制器(PFC)(圖2)。

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圖2 典型的電動汽車電源架構。(圖片來源:IEEE 2015)



利用GaN,加上開關速度更高的GaN HEMT,可以實現更小的被動元件。增加的頻率透過較小的電感將功率架構引向較低的漣波(ripple)電流,因此改善了功率因數,並得到體積更小、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。

過去幾年來GaN的可靠性已經被提高到一個很高的標準,這是GaN在汽車中使用的關鍵。

利用混合動力汽車傳動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產生。改進混合動力汽車傳動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,這意味著首先需要提高串聯型混合動力汽車傳動系統的電源轉換器效率。

DC-link通常連接三個傳動系統: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),它們與串聯式混合動力汽車相關。

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圖3 混合動力汽車的傳動系統框圖。(圖片來源:IEEE 2016)



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《用於提高串聯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的許多方法以及用於各種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),該定律用於控制動態DC-link電壓以實現DAB直流/直流轉換器橋柵極開關波形之間的相移。這種轉換器位於串聯式混合動力汽車傳動系統的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傳動系統的損耗都變得更低。

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圖4 控制原理圖中的混合動力汽車傳動系統互連圖。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的關鍵元件。(圖片來源:IEEE 2016)



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(SCS)根據電池電量狀態(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,在這種串聯型混合動力汽車中,DC-link電壓將抑制條件施加於與單位調製指數對應的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並降低系統效率的過調狀態。將調製指數保持接近1,可以提高傳動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,而開關過程是其效率損失的主要因素,因此降低開關電壓可以提高效率。

這種能夠最大限度減少功率損失的持續永久零壓開關(ZVS)機制最適合具有高混合因數(HF)的汽車,特別是在城市環境中。混合因數是指來自電源的裝機功率與總裝機功率之比。這個混合因數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動機管理系統(EMS)一樣決定著駕駛行為。這種逆變器適用於任何馬達,比如同步、非同步或無刷馬達,由整合的電子PCB控制。這塊PCB板是汽車製造商專門設計的,用於最大程度地減少開關損耗,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,並回饋給電池充電。混合動力汽車/電動汽車的行駛距離與主逆變器的效率直接相關(圖5)。

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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

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。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,支援架構化功能。

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圖6 48V到12V的雙向直流/直流轉換器。(圖片來源:TI)



另外,汽車架構設計中通常有一個單相的3.5kW或7kW板載充電器模組(OBCM),用於從電網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慧電網中以用作儲能設備。智慧電網工作時考慮到給電動汽車和插電式混合動力汽車智慧充放電,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,具有零壓開關功能,在最小開關頻率點具有最大的功率傳送性能。與單向電源流轉換器相比,這種技術用MOSFET整流器替代了二極體整流器。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主要缺點是整流橋在關斷時具有較大的損耗,這一問題在未來的設計中必須解決。

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圖7 設計師有時使用調製過的DAB轉換器控制簡單高頻隔離,這種架構的優勢是元件的應力較低;其主要缺點是,ZVS無法擴展到整個輸出範圍,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。(圖片來源:IEEE 2014)



Delphi整合和佈線

Delphi整合了本文討論的所有元元件和其他一些混合電動汽車功率電子元件(圖8),這令人驚歎。

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圖8 Delphi在混合動力汽車/電動汽車中實現高度整合。(圖片來源:Delphi)



混合動力汽車/電動汽車中使用合適的內部連接器也十分重要(圖9)。

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圖9 混合動力汽車/電動汽車的關鍵要素是將品質最小化。Delphi在小規程電纜技術、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)方面有著重要創新。(圖片來源:Delphi)



電力車輪驅動系統

《電動汽車應用電動驅動系統的設計與實現(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力汽車和電動汽車的馬達驅動系統,一種提供計算性能的馬達驅動混合動力汽車的Matlab SIMULINK模型已開發成功。兩個14kWDC無刷直流馬達根據文獻設計製造而成,安裝在混合動力汽車車輪的輪緣內。

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圖10 一個後輪的無刷直流馬達圖。(圖片來源:IEEE 2011)



另外,兩個獨立驅動的後輪也安裝在菲亞特(Fiat)Linea車上。透過對方向盤的角度進行檢測,電子控制技術取代了機械差動裝置。汽車的電力驅動控制系統和電子控制單元(ECU)之間透過CAN匯流排進行通訊,電力驅動後輪和ICE驅動的前軸之間實現了成功的級聯。

這種設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,並且容易控制。

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圖11 車輪輪輞和電動發電機裝置中的直接驅動型無刷直流馬達分解圖。(圖片來源:IEEE 2011)



驅動器

無刷直流馬達的電力驅動器由一個整合電源模組(IPM)、一個8位的微控制器和一個電子控制系統組成。驅動器軟體發展用於IGBT換流控制和脈衝寬度調變(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、電流和電壓感測器。

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展成果。今後勢必還會湧現更多的開發成果,進一步改進這些系統,使地球受益。

(參考原文:The latest in electric vehicle power management,by Steve Taranovich)