PI + 电机——电动汽车的关键技术和共性技术

标签:逆变器IGBT
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PI是Power Inverter的缩写,中文可翻译成功率逆变器。它是HEV和EV的关键零部件,决定了驾驶行为和车辆的能源效率。PI主要的功能就是电机控制的实现和再生能量的回收。

为了阐述清PI的功能,我们先来看下电动汽车EV的电动力总成最简系统架构。(由于笔者之前从事相当长一段时间的传统内燃机动力系统的开发,在阐述时会不自觉把新能源动力总成和传统内燃机系统作比较,请见谅。)

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图1. 电驱系统的三个主要部件

如图1所示,纯电汽车EV的电动力总成系统由三个主要部件组成:电池系统、电机和功率逆变器。电池系统是能量的储存和供应,这一部分相当于内燃机动力系统的燃油系统:油箱、油路、油泵、油轨和喷油器;电池输出直流电流,通过BMS(BCU + DCDC),提供高压和低压直流输出,其中高压部分通过逆变器PI被转换成三相交流电,并由PI输出控制电动机的工作。PI的工作相当于传统发动机系统的发动机电控系统的一部分功能,而电机相当于传统的内燃机功能。PI + 电机,组成了电驱系统,这是电动汽车的关键技术和共性技术。

下面,我们来讨论下PI的系统架构,这里只讨论纯PI的系统硬件架构。有些OEM把VCU部分和PI集成在一起,称之为EDU(E drive Unit),在此不做讨论。

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图2.  PI的系统硬件架构图

图2是典型的PI系统硬件架构图。如图所示,系统可简单分成高压电机驱动(能量回收部分)和低压控制部分。DCDC模块提供PI所需的高压HV和低压LV电源,低压电源输入经过PI的电源管理模块Power Supply Module,输出3.3V, 5V, 15V作为控制电路(uC, Isolater, HS/LS, CAN Bus等)的电源;uC作为主控芯片,通过CAN获取VCU的操作信号后控制Gate Driver电路,进而控制电机的动作; uC通过监控相电流和功率管的温度,做IGBT模块的温度保护,也同时检测各芯片及控制板PCB的问题,对ECU进行温度保护。以下是一些应用的实用特性:

-- 控制板和Gate驱动通常做成两块电路板,方便内部布置(当然也可以做成一块)。

-- 低压控制模块和高压Gate Driver需要使用两块单独控制器(功能安全要求,一般PI定义成ASIL C或D)

-- 高低压HV/LV需要做隔离处理,包括相电流测量电路/Gate驱动/用于控制LV和Gate驱动端的电源/两款MCU的电源和通讯

--  DC Link电容:输出电压进行平滑滤波;防止电压过冲和瞬时过电压对IGBT的影响。

-- 电机温度传感器需要单独两个,反馈给PI(功能安全要求)

--  功率模块:

MOSFET:低电压(200V以下),高开关频率应用。导通压降低,开关损耗低
IGBT:高电压,低开关频率应用(400V/800V)。导通压降高,开关损耗低。
新应用:SiC MOSFET,抗高温,高压(1200V),高开关频率,高效率。

-- IGBT选用: 有Infineon,ROHM,Mitsubishi。目前做到的项目里,采用Infineon的IGBT模块比较多,不过对于一些尺寸要求高的应用,会采用Mitsubishi的IGBT,当然成本也会增加。

-- 挑战:降低开关损耗和散热设计一直是PI开发的难点。

最后,个人总结了以下传统发动机系统和纯电车动力总成开发的异同,供想转型和已经转型的同行们参考。

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