自那以后驅(qū)動(dòng)技術(shù)得到了長(zhǎng)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(duì)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(jí)電源；由雙路有源橋(DAB)直流/直流轉(zhuǎn)換器組成的次級(jí)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(jí)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?jí)動(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(duì)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(hào)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(jiǎn)單高頻隔離，這種架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)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(duì)方向盤的角度進(jìn)行檢測(cè)，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(jí)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>

1. Silicon Carbide Power Electronics for Electric Vehicles, Andrii Stefanskyi, ?ukasz Starzak,Andrzej Napieralski, 2015 Tenth International Conference on Ecological Vehicles and Renewable Energies (EVER)
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
3. Voltage Control for Enhanced Power Electronic Efficiency in Series Hybrid Electric Vehicles, Mark Roche, Wassif Shabbir, and Simos A. Evangelou, IEEE 2016
4. Infineon main HEV inverter
5. Driving the green revolution in transportation, Karl-Heinz Steinmetz, Texas Instruments
6. High Efficiency Wide Range Bidirectional DC/DC Converter for OBCM Application, Gang Liu, Dan Li, Jian Qiu Zhang, Min Li Jia, IEEE 2014
7. Advancing Automotive Innovation Hybrid & Electric Vehicle Systems, Delphi.
8. Design and Implementation of an Electric Drive System for In-Wheel Motor Electric Vehicle Applications, R.Nejat Tuncay, Ozgur Ustun, Murat Yilmaz, Can Gokce, Utku Karakaya, IEEE 2011