使用相同的電池增加電動汽車的續(xù)航里程–通過更好的軟件提高效率

我們已經看到提高電動汽車動力總成的效率可以增加其續(xù)航里程。除了純機械解決方案（例如使用更大（或多個）電動機或變速箱的附加組件）之外，立即提高效率的最佳方法是使用更好的軟件來控制動力總成的不同元件。

在這種情況下，讓我們首先定義什么是“更好的軟件”：更好的軟件是控制電動機及其逆變器的軟件，從而擴大其工作范圍，從而擴大其最佳工作區(qū)域，提供更高的功率，并提供更好的整體電動動力總成效率。

對更寬工作范圍的挑戰(zhàn)

要擴大電動機的工作范圍，您需要對其進行控制，以便通過提高最大速度并在速度范圍內提供更大的扭矩來提供更多功率。不幸的是，扭矩和速度的增加會在逆變器和電動機本身中引入多種不良副作用。逆變器功率晶體管的開關損耗會增加，電動機的鐵和銅損耗也會增加。需要先進的補償技術和調制策略來減輕損耗的增加，并消除不必要的嚴重附帶效應，如諧波注入、噪聲和振動。

圖 1 – 不斷擴大的電動機工作范圍帶來了更多挑戰(zhàn)

逆變器中的開關損耗

逆變器是一種電源轉換系統(tǒng)，它將來自電池的直流電 （DC） 轉換為多相交流電 （AC）。交流電的輸出正弦波是通過使用脈寬調制（PWM）技術以一定速度（或更準確地說在特定頻率）交替地打開/關閉多個功率晶體管的排列來構建的。逆變器要求的開關頻率與其控制的電動機的速度以及電動機的對極數(shù)直接相關。

在每個開關處，晶體管換向過程中每個晶體管的內阻（傳導損耗）和電容（開關損耗）中損失了一部分能量。根據(jù)功率晶體管技術（MOSFET、IGBT、SiC 或 GaN），損耗值是可變的。一般規(guī)則是，需要的開關越多，逆變器損耗就越高。

電動機中的鐵和銅損耗

在同步電機中，主要電損耗來自用于在定子中產生旋轉磁場的鐵芯和銅線圈[1]。

如圖2所示，鐵損在較高速度下占主導地位。它們是由于銅線圈在鐵中感應的電流（渦流[2]）。當場強超過一定限度時，諧波和噪聲被注入電動機。

圖2 –銅和鐵損耗定位

銅損[3]在低速和高扭矩下占主導地位。為了獲得最大扭矩，通過在銅線圈中發(fā)送更多電流來增強磁場。隨著電流的增加，電阻損耗增加，從而降低整體效率并增加散熱，從而可能損壞電機本身。

通過更好的軟件控制減少損失并提高效率

對于每個工作扭矩/速度設定點，主要損耗是不同的，單個調制策略無法適當?shù)仄胶鈸p耗。減少損耗的解決方案是通過使用不同的調制技術來控制逆變器和電動機，從而限制其發(fā)生，超越標準和廣泛使用的空間矢量PWM（SVPWM）技術?？茖W文獻[4]描述了分為連續(xù)和不連續(xù)調制技術（CPWM，DPWM）的復數(shù)方法，這些方法在扭矩/速度操作設定點上具有不同的優(yōu)點和缺點。其中一個缺點是噪聲振動聲粗糙度（NVH），這會對車輛的駕駛性能產生負面影響。

Silicon Mobility通過稱為自適應PWM控制（APC）的增強調制策略提供更好的軟件控制。

APC應用不同的調制策略，這些策略在電動機的電氣角度位置上非常精確地切換。電壓相位補償（VPC）算法用于擴展電動機的工作范圍，以連續(xù)校正磁通量。然后，磁場定向控制（FoC）與強大的選擇性諧波消除（SHE）算法相輔相成，以高電角度分辨率整形逆變器相電壓信號，同時消除整個電動機扭矩/速度圖中的功率晶體管開關事件，諧波和NVH效應。

圖 3 – 自適應 PWM 控制可在多種調制策略之間無縫排列

最后，在電機轉矩/速度曲線的“恒定功率”區(qū)域使用降噪過調制（ONR）算法，以消除幾乎所有的銅損。無論電機的扭矩/速度需求在哪里，Silicon Mobility的APC都會應用適當?shù)恼{制來消除損耗。調制策略之間的選擇因逆變器和電動機特性以及每個設定點上的扭矩/速度主要損耗而異。

APC配備了OLEA APP INVERTER HE，這是一個在OLEA FPCU上運行的應用程序，是唯一能夠支持這種更好軟件的半導體產品。WTLP測試周期的仿真表明，與在現(xiàn)有多核微控制器上運行的傳統(tǒng)控制系統(tǒng)相比，OLEA APP INVERTER HE將逆變器/電動機中的電動動力總成效率提高了20%。

審核編輯：郭婷