電動(dòng)汽車架構(gòu)和逆變器

電動(dòng)汽車市場是碳化硅（SiC）設(shè)備制造商最大和增長最快的商機(jī)之一。根據(jù)國際能源署 （IEA） 的數(shù)據(jù)，2020 年全球道路上有 1 萬輛電動(dòng)汽車，該組織敦促在這十年內(nèi)大規(guī)模采用輕型電動(dòng)汽車以應(yīng)對氣候變化。<>

作為碳化硅分立式肖特基二極管和MOSFET以及功率模塊的領(lǐng)先供應(yīng)商，Wolfspeed有助于在這個(gè)市場上取得成功。

Wolfspeed的引擎蓋下是什么系列的這一章介紹了車輛動(dòng)力總成電氣化的各種架構(gòu)，然后重點(diǎn)介紹電池EV（BEV）傳動(dòng)系統(tǒng)中的兩個(gè)關(guān)鍵組件：電機(jī)和逆變器。我們討論了電動(dòng)機(jī)以及基于碳化硅的逆變器及其開關(guān)方案的類型和位置。

冰河時(shí)代的結(jié)束？

據(jù)行業(yè)觀察人士稱，內(nèi)燃機(jī)（ICE）市場正在下降。汽車原始設(shè)備制造商最近沒有就新的ICE研發(fā)投資或路線圖的補(bǔ)充發(fā)布重大公告。這些知識，加上預(yù)計(jì)到 41 年將有 2026 萬輛電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力電動(dòng)汽車 （HEV） 上路，2 表明 ICE 時(shí)代結(jié)束。

整車廠多年來一直在向電動(dòng)動(dòng)力總成過渡，1997年豐田普銳斯在日本作為首款HEV推出，2008年比亞迪在中國作為首款插電式HEV（PHEV）推出。因此，通往BEV的道路鋪就了取決于電機(jī)驅(qū)動(dòng)功率的各種級別的“混合動(dòng)力”：

微型和輕度混合動(dòng)力車：這些“eAssist”系統(tǒng)具有帶式/集成式起動(dòng)發(fā)電機(jī)，分別配備 12 V“微型”和 48 V“輕度”系統(tǒng)，分別配備 <5 kW 和 5 至 13 kW 電機(jī)，可提供將車輛從靜止?fàn)顟B(tài)移動(dòng)所需的扭矩。這種架構(gòu)經(jīng)常被大型卡車和SUV使用。

全混合動(dòng)力：HEV 配備 20 至 40 kW 電機(jī)，完全由其 ICE 塊和再生制動(dòng)充電。電機(jī)和內(nèi)燃機(jī)大部分時(shí)間同時(shí)工作。

插電式混合動(dòng)力車：PHEV 中的 50 至 90 kW 電機(jī)允許純電動(dòng)本地通勤，交流壁掛電源一次充電的典型續(xù)航里程為 10-50 英里（16-80 公里）。

混合架構(gòu)

混合動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)具有類似于BEV的架構(gòu)，只是它們具有額外的能源和較小的車載電能存儲。在所有混合動(dòng)力架構(gòu)中，Wolfspeed 的 SiC 模塊大放異彩，其共同特點(diǎn)是雙向逆變器，允許 ICE 和再生制動(dòng)為電池充電。然而，有四種主要的傳動(dòng)系統(tǒng)配置（圖1），包括串聯(lián)、并聯(lián)、燃料電池和串聯(lián)并聯(lián)。

日產(chǎn)ePower、雪佛蘭Volt、寶馬i3、豐田普銳斯部分車型等系列混合動(dòng)力車搭載與電池和電動(dòng)機(jī)一致的內(nèi)燃機(jī)。因此，車輪和內(nèi)燃機(jī)在機(jī)械上被“解耦”。該設(shè)計(jì)的很大一部分是BEV的電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)車輪。當(dāng)車載電池耗盡時(shí)，ICE驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)，為電池充電并為電動(dòng)機(jī)供電。每當(dāng)需要大量電力時(shí)，電機(jī)都會從電池和發(fā)電機(jī)中獲取電力。

圖 1：用于混合動(dòng)力 EV 的各種類型的架構(gòu)。

一方面，兩種能量轉(zhuǎn)換（機(jī)械到電氣到機(jī)械）會導(dǎo)致更高的損耗，3另一方面，ICE尺寸和速度都可以優(yōu)化以實(shí)現(xiàn)高效率。這種架構(gòu)中的電池組和電機(jī)往往比并聯(lián)架構(gòu)中的電池組和電機(jī)大，使其成為更昂貴的混合動(dòng)力車。

燃料電池HEV（FCHEV）使用類似于串聯(lián)混合動(dòng)力的設(shè)計(jì)，除了ICE和發(fā)電機(jī)被燃料電池和功率調(diào)節(jié)器取代，該功率調(diào)節(jié)器可幫助燃料電池輸出適當(dāng)?shù)碾妷汉?a href="http://wenjunhu.com/tags/電流/" target="_blank">電流，在這種情況下為電池充電或驅(qū)動(dòng)逆變器的電源。

與福特Fusion，本田思域和豐田普銳斯的某些車型一樣，并聯(lián)混合動(dòng)力架構(gòu)由與電動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)并聯(lián)的ICE組成。車輛由ICE和電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，電動(dòng)機(jī)連接到通常包括行星齒輪系統(tǒng)的機(jī)械變速器。改變內(nèi)燃機(jī)和電機(jī)之間的功率分配，使它們都盡可能在最佳運(yùn)行區(qū)域內(nèi)運(yùn)行。例如，當(dāng)電動(dòng)機(jī)不提供旋轉(zhuǎn)動(dòng)力時(shí)，ICE接管。

由于電動(dòng)機(jī)和逆變器都比串聯(lián)架構(gòu)中的電動(dòng)機(jī)小，因此并聯(lián)混合動(dòng)力車的成本較低。

功率分配或串聯(lián)并聯(lián)混合是串聯(lián)和并聯(lián)架構(gòu)的組合，旨在利用兩者的優(yōu)勢。行星齒輪系統(tǒng)用于使用ICE和電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)軸，并且用于為電池充電的發(fā)電機(jī)也連接到軸上。

除FCHEV外，所有混合動(dòng)力架構(gòu)都被許多汽車制造商視為向更簡單的BEV傳動(dòng)系統(tǒng)的過渡（圖2），電池、電機(jī)和逆變器是牽引的主要部件。

圖 2：典型 BEV 示意圖，顯示了牽引逆變器、電機(jī)和變速器以及其他功能模塊

BEV輪轂電機(jī)和電動(dòng)車橋

BEV電機(jī)根據(jù)其與傳動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械耦合可分為輪轂電機(jī)和電橋。輪轂電機(jī)安裝在車輪上，直接驅(qū)動(dòng)車輪。由此產(chǎn)生的車軸和機(jī)械齒輪的拆卸帶來了更高的效率、更小的電機(jī)和逆變器以及更低的內(nèi)部地板。

然而，輪轂電機(jī)需要特殊控制來調(diào)整每個(gè)車輪的速度以適應(yīng)不斷變化的要求，例如當(dāng)轉(zhuǎn)彎時(shí)，電動(dòng)汽車需要外輪比內(nèi)輪旋轉(zhuǎn)得更快。由于差速器南瓜在無軸設(shè)計(jì)中不可用，因此轉(zhuǎn)速差必須由電子電機(jī)控制處理。通過逆變器驅(qū)動(dòng)和控制每個(gè)電機(jī)，這種設(shè)計(jì)可能會變得昂貴。另一個(gè)挑戰(zhàn)是環(huán)保，防止灰塵、碎屑和水，這可能需要將所有電子設(shè)備與電機(jī)集成和密封。

輪轂電機(jī)的供應(yīng)商比提供電動(dòng)車橋的輪轂電機(jī)供應(yīng)商較少，包括Protean、Elaphe和Nidec。

將電機(jī)安裝在車軸中央可實(shí)現(xiàn)電橋設(shè)計(jì)。雖然這通常只需要每個(gè)軸一個(gè)電機(jī)，但可能會有所不同。例如，特斯拉的Tri-Motor在其中一個(gè)車軸上使用兩個(gè)電機(jī)。

雖然電動(dòng)車橋通常需要更大的電機(jī)，因?yàn)樗鼈凃?qū)動(dòng)整個(gè)軸，但它更便宜，因此更受歡迎。它的電子元件較少，因?yàn)橐恍┧俣瓤刂埔蟊桓阋说臋C(jī)械部件所取代。

EV用電機(jī)類型

BEV不使用直流電機(jī)，因?yàn)楦咚倥ぞ夭蛔?，換向器磨損迅速。也避免使用單相交流電機(jī)，因?yàn)樗鼈儾荒芴峁┳銐虻膯?dòng)轉(zhuǎn)矩，并且額定功率要低得多，因此適用于家用電器的較輕負(fù)載。另一方面，三相交流電機(jī)為BEV提供從中速到高速的高扭矩，可以進(jìn)一步調(diào)整以滿足傳動(dòng)系統(tǒng)的需求。BEV使用三種類型的三相交流電動(dòng)機(jī)之一 - 感應(yīng)，永磁同步和永磁同步磁阻。

感應(yīng)或非同步電機(jī)沒有電刷，避免了零件磨損。轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生所需的磁場——沒有昂貴的永磁體。電機(jī)由變頻器直接控制交流輸出基頻，滑差頻率小。然而，這些電機(jī)的啟動(dòng)扭矩較低，通常在較舊的BEV車型架構(gòu)中找到，例如特斯拉Model S。

永磁同步機(jī)是BEV中最常見的，如豐田普銳斯，寶馬i3，奧迪e-Tron和日產(chǎn)聆風(fēng)。雖然它們比感應(yīng)電機(jī)更容易啟動(dòng)，但它們需要在轉(zhuǎn)子內(nèi)部安裝永磁體。隨著額外的成本，效率也更高，因?yàn)檗D(zhuǎn)子不消耗電流。

永磁同步磁阻機(jī)是一種較新的電機(jī)，比純感應(yīng)電機(jī)效率更高。它們具有更高的功率密度，但控制起來更復(fù)雜。例如在特斯拉Model 3中，它們因其較低的慣性而使用，有助于實(shí)現(xiàn)更高的加速度。

牽引逆變器

牽引逆變器將來自電池的高壓直流轉(zhuǎn)換為電機(jī)所需的三相交流電（圖 3）。但是，并非所有設(shè)計(jì)都使用圖中所示的升壓轉(zhuǎn)換器。

圖 3：使用三個(gè)基于 SiC MOSFET 的半橋模塊的三相牽引逆變器。DC-DC升壓轉(zhuǎn)換器也采用SiC MOSFET模塊實(shí)現(xiàn)，并非總是需要。

再生制動(dòng)所需的雙向逆變器最好使用SiC功率模塊實(shí)現(xiàn)，因?yàn)榕c硅IGBT組件相比，它們可實(shí)現(xiàn)更高的效率，更大的功率密度和更簡單的電路。

逆變器通常需要輸出開關(guān)頻率在6 kHz和24 kHz之間的方波。該輸出由電機(jī)的固有電感濾波，以提供基頻，這也是同步電機(jī)的軸轉(zhuǎn)速。

盡管大多數(shù)現(xiàn)代微控制器都使用經(jīng)典的脈寬調(diào)制（PWM）方案，并且易于實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制，但它在牽引逆變器中并不常見，因?yàn)樗皇亲钣行У拈_關(guān)方案。相反，空間矢量PWM（SV-PWM）用于BEV應(yīng)用。它允許過調(diào)制以衰減正弦波的頂部，以便可以施加高于直流母線總線電壓的電壓，并通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)更大的電流（圖 4）。該方案還最大限度地減少了逆變器六個(gè)開關(guān)的開關(guān)轉(zhuǎn)換，從而降低了開關(guān)損耗并提高了效率。

圖 4：三相 SV-PWM 波形

BEV避開了開環(huán)變頻控制，轉(zhuǎn)而采用閉環(huán)磁場定向控制（FOC），因?yàn)榍罢呤褂貌檎冶矶皇欠答亖韮H獲得低精度的速度控制。FOC增加了轉(zhuǎn)子角度位置編碼器和相電流檢測要求的成本，但可以設(shè)置各種操作模式下所需的電場 - 坡道保持，最大加速度，高速，制動(dòng)甚至故障。

逆變器還使用有源短路（ASC）功能來處理故障，例如在高速接合再生制動(dòng)時(shí)防止向電池輸送非常高的功率。ASC將電機(jī)相位短路幾毫秒，承包商需要幾毫秒，以打開電路并保護(hù)電池。

結(jié)論

根據(jù)美國能源部的數(shù)據(jù)，BEV的行駛距離不到1美元，與基于內(nèi)燃機(jī)的車輛在一加侖汽油上的行駛距離相同。Wolfspeed 的 SiC 可實(shí)現(xiàn) BEV 中的所有關(guān)鍵和許多輔助功能。

審核編輯：郭婷