自那以后驅(qū)動(dòng)技術(shù)得到了長足發(fā)展，集成度越來越高，電源逆變器也有了顯著進(jìn)步。GaN器件在電動(dòng)汽車的電池充電器中也有不凡表現(xiàn)，這些充電器由交流/直流轉(zhuǎn)換器加直流/直流轉(zhuǎn)換器組成。這種組合就是一種功率因數(shù)控制器(PFC)(圖2)。

 

圖2：典型的電動(dòng)汽車電源架構(gòu)(摘自參考文獻(xiàn)2)。

 

利用GaN，加上開關(guān)速度更高的GaN HEMT，可以實(shí)現(xiàn)更小的無源器件。在更高的頻率條件下，用更小的電感可以使電源架構(gòu)的紋波電流更低，改善了功率因數(shù)，并得到體積更小成本更低的電容。更低的紋波電流對電容的應(yīng)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(jīng)被提高到了一個(gè)很高的標(biāo)準(zhǔn)，這是GaN在汽車中使用的關(guān)鍵。
 

 

目前約72%的交通排放由行駛在道路上的汽車產(chǎn)生。改進(jìn)混合動(dòng)力汽車傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)以提高其效率是降低排放的主要手段。一種方法是增強(qiáng)DC-link電壓控制架構(gòu)的效率，這意味著首先需要提高串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車傳動(dòng)系統(tǒng)的電源轉(zhuǎn)換器效率。

 

DC-link通常連接三個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)：由三相整流器組成的初級電源；由雙路有源橋(DAB)直流/直流轉(zhuǎn)換器組成的次級電源；由三相位逆變器組成的推進(jìn)負(fù)載(圖3)，它們與串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車相關(guān)。

 

圖3：混合動(dòng)力汽車的傳動(dòng)系統(tǒng)框圖(摘自參考文獻(xiàn)3)。

 

在DC-link和電池電壓不相等的設(shè)計(jì)拓?fù)渲?，直?直流轉(zhuǎn)換器中間解決方案是必需的。論文“用于提高串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車中電源電路效率的電壓控制方法”(參考文獻(xiàn)3)描述了研究不同架構(gòu)的許多方法以及用于各種DC-link電壓和直流/直流轉(zhuǎn)換器控制的方案。

 

下面將討論比例控制定律，該定律用于控制動(dòng)態(tài)DC-link電壓以實(shí)現(xiàn)DAB直流/直流轉(zhuǎn)換器橋柵極開關(guān)波形之間的相移。這種轉(zhuǎn)換器位于串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車傳動(dòng)系統(tǒng)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(zhuǎn)換器電能損耗及整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)的損耗都變得更低。

 

圖4：控制原理圖中的混合動(dòng)力汽車傳動(dòng)系統(tǒng)互連圖。內(nèi)燃機(jī)(ICE)、連續(xù)可變變速箱(CVT)、永磁同步發(fā)電機(jī)(PMSG)或混合動(dòng)力汽車的初級電源、永磁同步電機(jī)(PMSM)或混合動(dòng)力汽車的推進(jìn)負(fù)載都是圖中所示系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。(摘自參考文獻(xiàn)3)

 

在這個(gè)模型中，柴油機(jī)是混合動(dòng)力汽車的主要?jiǎng)恿υ?，直流電池是次級?dòng)力源。管理控制系統(tǒng)(SCS)根據(jù)電池電量狀態(tài)(SOC)和電機(jī)負(fù)載來控制這兩個(gè)動(dòng)力源提供的動(dòng)力比例。

 

事實(shí)上，在這種串聯(lián)型混合動(dòng)力汽車中，DC-link電壓將抑制條件施加于與單位調(diào)制指數(shù)對應(yīng)的PMSM和PMSG的理想工作區(qū)，這樣系統(tǒng)就能避免出現(xiàn)導(dǎo)致信號失真并降低系統(tǒng)效率的過調(diào)狀態(tài)。將調(diào)制指數(shù)保持接近1，可以提高傳動(dòng)系統(tǒng)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(guān)過程是其效率損失的主要因素。因此降低開關(guān)電壓可以提高效率。

 

這種能夠最大限度減小功率損失的永久零壓開關(guān)(PZVS)機(jī)制最適合具有高混合因子的汽車，特別是在城市環(huán)境中?；旌弦蜃?HF)是指來自電源的裝機(jī)功率與總裝機(jī)功率之比。這個(gè)混合因子會(huì)影響混合動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)中的電動(dòng)機(jī)，是混合動(dòng)力汽車/電動(dòng)汽車中的一個(gè)重要部件。電源逆變器就像內(nèi)燃機(jī)汽車中的發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)(EMS)一樣決定著駕駛行為。這種逆變器適用于任何電機(jī)，比如同步、異步或無刷電機(jī)，由集成的電子PCB板控制。這塊PCB板是汽車制造商專門設(shè)計(jì)的，用于最大限度地減少開關(guān)損耗，以及最大限度地提高熱效率。逆變器的其它功能是捕獲再生制動(dòng)釋放的能量，并反饋給電池充電?；旌蟿?dòng)力汽車/電動(dòng)汽車的行駛距離與主逆變器的效率直接相關(guān)(圖5)。

 

圖5：混合動(dòng)力汽車/電動(dòng)汽車中的英飛凌主逆變器框圖。(摘自參考文獻(xiàn)4中的英飛凌部分)

雙電壓電池系統(tǒng)

 

管理好混合動(dòng)力汽車和電動(dòng)汽車中的電池要求使用高壓技術(shù)。結(jié)合了12V和48V電池的雙電壓系統(tǒng)需要雙向的直流/直流轉(zhuǎn)換，如圖6所示，目的是保護(hù)電路，支持架構(gòu)化功能。

 

圖6：48V到12V的雙向直流/直流轉(zhuǎn)換器(摘自參考文獻(xiàn)5中的TI部分)。

 

另外，汽車架構(gòu)設(shè)計(jì)中通常有一個(gè)單相的3.5kW或7kW板載充電器模塊(OBCM)，用于從電網(wǎng)給電動(dòng)汽車或插電式混合動(dòng)力汽車(PHEV)充電。反之，電動(dòng)汽車和插電式混合動(dòng)力汽車可以用作能源，也可在集成有可再生能源的智能電網(wǎng)中用作儲(chǔ)能設(shè)備。智能電網(wǎng)工作時(shí)考慮到了給電動(dòng)汽車和插電式混合動(dòng)力汽車智能充放電，這也是OBCM必須是雙向直流/直流充電器的原因。

 

這種設(shè)計(jì)的最佳架構(gòu)是升壓系列諧振雙向拓?fù)?，如圖7所示。它工作在諧振頻率之上，具有零壓開關(guān)功能，在最小開關(guān)頻率點(diǎn)具有最大的功率傳送性能。與單向電源流轉(zhuǎn)換器相比，這種技術(shù)用MOSFET整流器替代了二極管整流器。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(gòu)的一個(gè)主要缺點(diǎn)是整流橋在關(guān)斷時(shí)具有較大的損耗，這一問題在未來的設(shè)計(jì)中必須解決。

 

圖7：設(shè)計(jì)師有時(shí)使用調(diào)制過的DAB轉(zhuǎn)換器控制簡單高頻隔離，這種架構(gòu)的優(yōu)勢是器件的應(yīng)力較低；其主要缺點(diǎn)是，ZVS(零壓開關(guān))無法擴(kuò)展到整個(gè)輸出范圍，特別是在輕負(fù)載條件下。這張圖顯示，升壓系列諧振雙向轉(zhuǎn)換器是一種更好的架構(gòu)(摘自參考文獻(xiàn)6)。

Delphi集成和布線

 

Delphi集成了本文討論的所有元器件和其它一些混合電動(dòng)汽車功率電子器件 (圖8)，這令人驚嘆。

 

 

圖8：Delphi在混合動(dòng)力汽車/電動(dòng)汽車中實(shí)現(xiàn)高度集成(摘自參考文獻(xiàn)7)。

 

混合動(dòng)力汽車/電動(dòng)汽車中使用合適的內(nèi)部連接器也十分重要(圖9)。

 

 

圖9：混合動(dòng)力汽車/電動(dòng)汽車的關(guān)鍵要素是將質(zhì)量最小化。Delphi在小規(guī)程電纜技術(shù)、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?jiǎng)?chuàng)新(摘自參考文獻(xiàn)7中的Delphi部分)。

電力車輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

 

“輪轂電機(jī)電動(dòng)汽車應(yīng)用中電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)”(參考文獻(xiàn)8)一文推薦了一種適合混合動(dòng)力汽車和電動(dòng)汽車的輪轂驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，一種提供計(jì)算性能的輪轂驅(qū)動(dòng)混合動(dòng)力汽車的Matlab SIMULINK模型已開發(fā)成功。兩個(gè)14kWDC無刷直流(BLDC)電機(jī)根據(jù)文獻(xiàn)設(shè)計(jì)制造而成，安裝在混合動(dòng)力汽車車輪的輪輞內(nèi)。

 

另外，兩個(gè)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的后輪也安裝在菲亞特的Linea車上。通過對方向盤的角度進(jìn)行檢測，電子控制技術(shù)取代了機(jī)械差動(dòng)裝置。汽車的電力驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)和電子控制單元(ECU)之間通過CAN總線進(jìn)行通信。電力驅(qū)動(dòng)后輪和ICE驅(qū)動(dòng)的前軸之間實(shí)現(xiàn)了成功的級聯(lián)。

 

 

圖10：一個(gè)后輪的無刷直流電機(jī)圖像(摘自參考文獻(xiàn)8)。

 

這種設(shè)計(jì)選擇了帶集中線圈的無刷直流電機(jī)，因?yàn)樗哂泻艿偷墓β手亓勘群秃芨叩男?，并且容易控制?/div>

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2. Gallium Nitride Semiconductors in Power Electronics for Electric Vehicles: Advantages and Challenges, Adrien Letellier, Maxime R. Dubois, João P. Trovão, Hassan Maher, IEEE 2015
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4. Infineon main HEV inverter
5. Driving the green revolution in transportation, Karl-Heinz Steinmetz, Texas Instruments
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7. Advancing Automotive Innovation Hybrid & Electric Vehicle Systems, Delphi.
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