PI + 电机——电动汽车的关键技术和共性技术
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。)
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。
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。
T型三电平逆变器通过先进控制与优化策略提升性能,包括采用智能SVPWM算法减少谐波失真,实施双闭环控制确保电流质量与稳定性,平衡开关频率与死区时间以降损提效,采用高性能散热材料与先进半导体器件减少热损耗,控制共模电压波动减小EMI,仿真优化选取最佳配置。
T型三电平逆变器技术在提升能效与系统性能方面表现出色,但面临中点电位控制复杂、开关策略实施难度大、电容管理挑战、热管理与成本控制等难点。中点电位波动要求精密控制算法维持稳定性;多样化开关模式与SVPWM策略实施需高度精确计算与快速响应系统;电容的长期稳定运行与均衡充电是设计关键。
储能逆变器充电电路的设计需平衡充电速度与电池保护,同时面临效率、可靠性和稳定性等挑战。为提升性能,需优化电路设计、引入先进控制算法、提升功率密度和散热性能,以及进行智能化改造。此外,关注新技术应用也是关键。综合优化这些方面,可推动电源管理系统更高效、可靠地发展。
储能逆变器充电电路的未来发展趋势将聚焦高效性、智能化、小型化与集成化,并强调更高的安全性和可靠性。随着能源需求增长和能源结构转型,提高能量转换效率、减少损耗成为关键。智能化发展通过引入先进控制算法和感知技术,实现电池状态实时监测和精准控制,延长电池寿命。同时,小型化和集成化将适应更多应用场景。
在工业领域中,我们经常接触到两电平逆变部分的电路拓扑,例如工业变频器、伺服驱动器和不间断电源等。然而,在光伏、风电和中高压变频器等领域,三电平电路拓扑相对较为普遍,尽管仍然存在着使用两电平拓扑的情况。下面我们将先介绍这两种三电平电路拓扑的基本原理。