电动汽车牵引逆变器剖析

2023-04-21 12:52:40 来源:EETOP

牵引逆变器是 EV 动力系统核心的关键部件,负责控制电动机、改善行驶里程、响应能力、平稳性、牵引力和操控性。

阅读本文你将能了解如下内容:

  • 电动动力总成如何成为采用电动汽车的基础,提供比汽油发动机更可靠、更持久的机动性。 

  • 牵引逆变器在安全、准确、高效地控制电动马达以实现续航里程、响应性、平稳性、牵引力和操控性方面的作用。

  • 牵引逆变器背后的技术。

  • 可降低电动汽车成本、延长其行驶里程、改善消费者体验并提供更广泛的电动马达选择的技术和解决方案。

几个关键因素正在推动向电动汽车 (EV) 的巨大转变,汽车制造商大力投资于汽车的电气化。政府法规和激励措施支持全球推动减少温室气体排放。与此同时,随着成本下降,消费者对电动汽车优势的认识和兴趣持续攀升。此外,正在采取措施解决驾驶里程焦虑和扩大充电基础设施。

综合这些因素,再加上电动汽车普及率的提高,许多市场研究人员预测,到 2030 年,每年售出的新车中有 50% 将是电动汽车。 

由于运动部件的减少——从内燃机 (ICE) 车辆的数百个减少到电动汽车的约 20 个,新的电动动力总成有望提供更可靠、更持久的机动性,同时减少维护。

一些关键部件支持基于典型容量为 40 至 200+ kW/h 的高压(约 400 至 800 V 直流)电池组和一个或多个电动机(e-motors)的电动动力总成。例如,车载充电器 (OBC) 将通过充电点接收的交流电转换为直流电并控制电池充电。电池管理系统 (BMS) 持续监控电池状态,并确保在发生故障时对其进行安全管理。

此外,DC-DC 转换器为信息娱乐和车身等其他系统提供较低的电压,如 12/24/48 V DC。牵引逆变器将电池的直流能量安全地转换为交流电,以控制电动机扭矩来驱动电动汽车

牵引逆变器的重要性

牵引逆变器是电动汽车动力系统核心的关键部件,直接影响电池电量,并最终影响消费者的驾驶体验。它负责安全、准确、高效地控制电动马达,以实现续航里程、响应能力、平稳性、牵引力和操控性。

牵引逆变器集成了许多技术来处理来自车辆控制单元 (VCU) 的扭矩命令,并根据需要安全地控制电动机。让我们仔细看看端到端的实时控制回路(图 1)。

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1.电动汽车牵引逆变器负责安全、准确、高效地控制电机。 

牵引逆变器剖析

车辆的运动取决于多个扭矩需求输入,例如加速器和制动踏板的状态、电子稳定控制以及自动紧急制动和自适应巡航控制等 ADAS 功能。

基于这些输入,VCU计算扭矩值并通过 CAN 或以太网接口将扭矩值发送到安全微控制器(MCU)。在多电机的电动汽车中,VCU可以提供扭矩矢量,智能准确地调整每个电机的扭矩,以提高操控性和牵引力。

安全、高性能的 MCU 是电机控制的大脑,执行数学密集型、磁场定向控制 (FOC),以根据电机的转子位置和三个(或六个)交流电的电流需求有效地控制扭矩当前阶段。安全的软件解析器确定电机的准确转子位置和速度,智能地解码由由随转子旋转的旋转变压器产生的正弦和余弦信号。

三个交流电流相位由 MCU 模数转换器 (ADC) 感测和采样。有了这些信息,MCU 就可以计算出满足扭矩需求的脉宽调制 (PWM) 控制信号,并将它们发送到隔离的高压栅极驱动器,后者控制电源开关,将电池的直流电源转换为交流电源

六个隔离式高压栅极驱动器,一个用于高压侧,一个用于低压侧,用于三个交流相中的每一相,提供电源开关的安全控制、监控和保护,以最大限度地提高效率和可靠性。

为安全起见,驱动器提供低压控制侧和高压开关侧的电流隔离,并在车辆关闭或即将发生碰撞时对直流链路电容器进行放电,以防止触电。智能栅极驱动器提供的功能可提高电源效率,并结合监控和保护电路以快速检测故障并提高安全性。

目前通常使用的电源开关是绝缘栅双极晶体管 (IGBT)。然而,宽带隙 (WBG) 功率开关,例如新兴的碳化硅 (SiC) 和氮化镓 (GaN),可以提供显著的优势,包括更高的开关速率,从而带来更高的效率和功率密度,以及更小的支持组件减小电动机的尺寸。随着开关频率从 IGBT 的几十千赫增加到 WBG的 100 到 200+ kHz,这将需要更高性能的 MCU。

改进牵引逆变器的机会

图 2显示了一些主要的电动汽车市场趋势。牵引逆变器的改进可以解决这些问题,以加快消费者接受度并提高满意度。

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2.影响电动汽车市场的六大趋势。 

利用现代硅技术和解决方案,汽车制造商能够降低电动汽车成本、延长行驶里程、改善驾驶体验,并通过可扩展的方法提供范围更广的电动马达选项。MCU、栅极驱动器和电源开关的创新可以改善电池成本、功率密度和效率等电动汽车指标,并提供额外的安全功能。

更高性能的处理将能够支持新的电机控制创新,例如反电动势 (EMF) 无传感器控制,以进一步降低成本。牵引逆变器设计还可以扩展以支持新的车辆 E/E 区域架构和数据驱动的软件定义车辆,从而形成“软件定义的电机”。随着时间的推移,它们可以通过无线 (OTA) 更新得到改进。

在这方面很多厂商都推出了新的电动汽车解决方案,以应对市场趋势和机遇。接下来以恩智浦(NXP)半导体的解决方案为例加以简要说明,NXP采用了S32K39系列 MCU针对双牵引逆变器控制进行了优化,具有四个配置为锁步对的 320 MHz Arm Cortex-M7 内核和两个分裂锁定内核,以及两个电机控制协处理器和一个数字信号处理器(图 3 ) . 

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3. NXP 的 S32K39 双牵引逆变器提供一系列特性和功能。 

可以为当今的 IGBT 以及新兴的 SiC 和未来的 GaN 功率开关支持两个 200-kHz 控制环路,以提高功率效率和更高的开关速率。反过来,它们减小了电机的尺寸、重量和成本,从而增加了行驶里程。 

或者,可以支持单个六相电机以获得更高的可靠性和可用性,这对于移动和商业车队等高占空比电动汽车非常重要。足够的 Arm 处理也可用于管理新的、数据驱动的用例,它可以扩展到云以满足数字双胞胎和机器学习需求,以及 OTA 支持以实现软件定义的电机。

借助 S32K39 模拟集成和对安全软件解析器的支持,可以移除外部分立元件和解析器数字转换器,以降低系统成本。将 MCU 与NXP的 FS26 安全系统基础芯片 (SBC) 和 GD3162 高压隔离式栅极驱动器相结合,创建了一个 ASIL D 双牵引逆变器系统。

S32K39 MCU 可以独立运行以控制双牵引逆变器。或者它可以通过时间敏感网络 (TSN) 以太网用作远程智能执行器,在与 NXP 结合时扩展到三个或四个电机S32E 实时处理器,除了控制两个额外的牵引逆变器外,还充当 EV 推进域控制器。

利用 TSN 可实现时间同步 (IEEE 802.1AS-Rev)、安全冗余 (IEEE 802.1CB) 和服务质量(IEEE 802.1Qbu 和 IEEE 802.1Qbv),这是跨车辆和区域进行可靠控制所需的架构。TSN 对于需要可预测延迟和带宽的实时应用至关重要。

结论

快速发展的电动汽车市场带来了新的机遇和挑战。牵引逆变器作为电力传动系统的核心发挥着关键作用,到本世纪末将为大多数新车提供动力。

可以通过 MCU、栅极驱动器和电源开关的创新实现许多改进,这些创新可以直接影响电池寿命和驾驶体验,更不用说提高消费者接受度了。对新技术的支持是利用汽车行业正在开发的软件定义的车辆基础设施,更快地扩展电动汽车并随着时间的推移改进它们的关键。


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