牽引逆變器如何推動電動汽車實現(xiàn)更高的性能

踩下電動汽車 (EV) 的踏板，即可獲得快速、平穩(wěn)的加速。我們對此已經(jīng)感到非常滿足了？當(dāng)然不。

新型電動汽車將擁有更高的性能和更長的續(xù)航里程。由于電動汽車將儲存的電能轉(zhuǎn)化為推進(jìn)力，此類改進(jìn)發(fā)生在電氣層面，而不是牽引電機(jī)層面。牽引逆變器技術(shù)的新發(fā)展使其成為一個增長領(lǐng)域。牽引逆變器可以管理從高壓電池包到電機(jī)的能量轉(zhuǎn)換并推動車輛。大多數(shù)電動汽車的頭條新聞都集中在電池系統(tǒng)的創(chuàng)新上而往往忽略了牽引逆變器。

借助于 TI 具有帶實時控制功能的微處理器和隔離式柵極驅(qū)動器，牽引逆變器的進(jìn)步正在進(jìn)一步推動人們對電動汽車性能升級的期望。更高的開關(guān)頻率可直接優(yōu)化可靠性、性能、重量和功率密度，也為采用更輕、更快的電機(jī)鋪平了道路。

新一代電動汽車駕駛起來會更加有趣。TI 混合動力汽車/電動汽車牽引逆變器系統(tǒng)經(jīng)理 Xun Gong說：“實際上，電力電子領(lǐng)域的創(chuàng)新正在超越機(jī)械方面的限制，促使我們即將達(dá)到機(jī)械限值?！?/p>

締造新的效率標(biāo)準(zhǔn)

從某些方面來看，目前電動汽車已經(jīng)非常高效。電動汽車的能源浪費僅為典型燃油發(fā)動機(jī)的四分之一，但仍有很大的改進(jìn)空間。引擎蓋下的元件使用和系統(tǒng)設(shè)計越好，意味著能夠可靠、無故障駕駛更長時間。當(dāng)微控制器可以承擔(dān)更多功能時，便可減少電路數(shù)量和外殼重量，從而減小電動汽車中整體電子系統(tǒng)的尺寸并減輕其重量。

TI 為用于嚴(yán)苛工業(yè)環(huán)境的高壓電機(jī)設(shè)計了工業(yè)控制器和功率集成電路 (IC)，并且能夠承受數(shù)十年的惡劣條件，這些經(jīng)驗會告訴我們?nèi)绾螏椭蛻魬?yīng)對電動汽車的設(shè)計挑戰(zhàn)。

TI 隔離柵極驅(qū)動器應(yīng)用經(jīng)理 Audrey Dearien說：“通過與工業(yè)客戶合作開發(fā)電機(jī)驅(qū)動器，我們學(xué)到了很多系統(tǒng)級問題與解決方案，我們的產(chǎn)品從一開始就是為高壓系統(tǒng)設(shè)計的，以創(chuàng)新為基礎(chǔ)只為打造更好的牽引逆變器?！?/p>

為何碳化硅很重要

要推動電動汽車實現(xiàn)更高的性能，非常重大的變化之一是牽引逆變器中使用的高壓功率開關(guān)從絕緣柵雙極晶體管 (IGBT) 向碳化硅 (SiC) 技術(shù)的轉(zhuǎn)變。因為 SiC 比 IGBT 更高效，可提高電池包儲存能量的利用率，所以這是一種自然的升級。此外，SiC 比 IGBT 更小，運(yùn)行溫度更低，進(jìn)一步減輕了驅(qū)動系統(tǒng)的重量、縮小機(jī)械尺寸并減少了能源浪費。

但轉(zhuǎn)變到 SiC 會帶來其他新的挑戰(zhàn)。與 IGBT 相比，SiC 更容易因短路而損壞，因此電動汽車需要更加合適的柵極驅(qū)動技術(shù)來配合向 SiC 的遷移。

Audrey 說：“我們的柵極驅(qū)動器可以快速檢測到短路，在不到百萬分之一秒的時間內(nèi)將其關(guān)閉，保護(hù)器件免受損壞?！?/p>

iC 的開關(guān)速度非?？?，這是貢獻(xiàn)其效率優(yōu)勢的一個原因，但這種高開關(guān)速度可能產(chǎn)生更高的的系統(tǒng)電噪聲，因此會錯誤地觸發(fā)故障或啟動電機(jī)。我們的柵極驅(qū)動器通過降低驅(qū)動系統(tǒng)噪聲影響的安全功能來降低這種風(fēng)險。

Audrey 說：“過去使用較慢的開關(guān)模塊，開關(guān)損耗只能降到一定水平。但使用 SiC 后您將獲得更高的開關(guān)速度，但同時必須對其進(jìn)行有效控制。如果沒有高效并且可靠的開關(guān)，您將無法獲得 SiC 的全部優(yōu)勢?！?/p>

支持更高的電動汽車功率密度

牽引逆變器升級只是電動汽車行業(yè)發(fā)展趨勢的一部分，其主要目標(biāo)是提高大功率電子系統(tǒng)的功率密度。這一改進(jìn)將使更小的電路板輸出更大能量，從而減小功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、電機(jī)和牽引逆變器的尺寸并減輕其重量。

Xun 說：“功率密度提高后，汽車會變得更輕，因此您可以更快地實現(xiàn)加速，或者您可在車內(nèi)獲得更多的空間?！?/p>

集成動力系統(tǒng)是提高功率密度的另一種方法。隨著模擬和嵌入式處理技術(shù)的進(jìn)步，汽車制造商能夠?qū)④囕d充電器、直流/直流轉(zhuǎn)換器和牽引逆變器等單獨的系統(tǒng)組合到單個域控制器下的一個緊湊機(jī)械外殼中。通過集成動力總成，汽車制造商可以將設(shè)計成本降低一半并且提高效率、可靠性和功率密度。同時，這也為駕駛員創(chuàng)造了更好的體驗，包括更低的購買或擁有成本、更長的車輛壽命和更好的道路行駛性能。

新一代牽引逆變器通過提供以下特性提高了電動汽車的效率和性能：

支持高壓 800V。當(dāng)今的大多數(shù)電動汽車都使用 400V 電池包，但行業(yè)正在慢慢轉(zhuǎn)向 800V 電池包。800V 的電機(jī)能以每分鐘兩倍的轉(zhuǎn)速運(yùn)行，但同時可能存在更高的能量損失和浪費風(fēng)險。TI 基于 Arm 的高性能微控制器 (MCU) 和快速柵極驅(qū)動器已準(zhǔn)備好迎接挑戰(zhàn)，其快速的電流環(huán)路控制可以以每百萬分之一秒調(diào)整一次電機(jī)的開關(guān)算法。

TI Sitara MCU 產(chǎn)品線經(jīng)理 Mike Pienovi說：“隨著系統(tǒng)中功率級別的提高，任何低效率造成的損失都變得更加明顯。要利用這一新潛力，您需要讓微控制器具有低延遲、高精度傳感和控制，從而支持更高的開關(guān)頻率并更大限度地提高效率?！?/p>

上路安全。我們專有的隔離技術(shù)可以幫助汽車及其高壓電池在道路上安全運(yùn)行。此外，我們用于牽引逆變器和電機(jī)控制的汽車微控制器和其他元件均符合功能安全標(biāo)準(zhǔn)，可以幫助系統(tǒng)設(shè)計人員達(dá)到最高 ASIL-D 的功能安全等級。

提高可靠性。我們的產(chǎn)品和系統(tǒng)設(shè)計可通過增強(qiáng)電容隔離、故障檢測和健康狀態(tài)監(jiān)測（包括熱監(jiān)測和電壓監(jiān)測），來幫助延長牽引逆變器和其他關(guān)鍵電動汽車元件的使用壽命。這些診斷和元件檢查可為系統(tǒng)提供早期預(yù)警和措施選項，幫助汽車制造商降低關(guān)鍵元件的時基故障率。

當(dāng)這些功能全部實現(xiàn)后，新一代輕型、超高轉(zhuǎn)速電機(jī)可能會搶占大部分的頭條新聞，但了解情況的電動汽車司機(jī)會明白，牽引逆變器的進(jìn)步才會使得大部分性能和可靠性升級成為可能。

本文為新系列“TI牽引逆變器”的首篇文章，后續(xù)我們將繼續(xù)為大家?guī)砀酄恳孀兤鞯南嚓P(guān)技術(shù)干貨。

審核編輯：湯梓紅