浅谈新能源汽车的供电系统和功率驱动

2021-04-16 14:03:08 56


伴随着人类社会的发展,对于能源的需求也越来越多,基于传统方式的能源利用,在给人类带来更加便利的生活方式之外,也带来了环境污染和气候变暖等一系列的负面影响。这促使人们将目光从地下转向天空,寻求利用太阳能取代化石能源,实现能源的可再生循环,最终实现碳中和的终极目标。


汽车动力系统的电气化和电动化,是交通领域实现碳中和的必由之路,作为全球第一的汽车半导体科技公司,英飞凌对于“零排放一定会实现” 这一观点深信不疑,并致力于推动这一目标的早日实现。


这里的“电气化”是指各种模式的传统内燃机与电动机共存的混和动力系统,“电动化”则是指完全摆脱了传统内燃机的电驱动动力系统。


在汽车“电气化”和“电动化”的进程中,各个国家和地区、以及各个汽车制造商所选择的路径既大同小异,又殊途同归。这里面既包含了像48V这样的微混系统,也包含了全混,插电混动系统;既包含了以锂离子电池作为能源载体的纯电动汽车,也包含了使用氢作为能源的燃料电池汽车。


众所周知,一个系统从功能上讲我们可以把它抽象为:感知,计算,执行,通信和供电五大部分。


本文将针对这五大部分的供电和执行2个话题提出一些个人观点和思考。



一 、整车供电系统中的供电电压轨道




目前我们在乘用车中能够看到的是12V、48V和高压(400V/800V)三种电压等级的供电系统。


在传统内燃机乘用车中,一直以来都是使用12V电源,与之相对应的半导体产品也占据了很大一部分市场。根据一些国际权威机构的预测信息,单纯由内燃机驱动的汽车会在2030年左右退出市场。但是,考虑到12V系统成熟的零部件供应链规模优势以及适合该系统应用的半导体产品相对较低的成本优势,12V电源轨道应该长期存在。届时,DC-DC将彻底取代传统12V交流发电机,成为12V系统中电池充电和负载供电的电源,由此带来12V电源系统的一些特性的变化,比如抛负载等,作为与之对应的电源标准可能会随之做出相应的调整。

48V作为一个安全电压等级,由于较低的绝缘等级需求等因素,使其在混合动力系统上具有一定的性价比优势。随着48V系统中供应链的日臻完善,规模化生产带来成本的降低,同时在不同高压系统的整车中某些零部件标准化的实现,帮助供应商和整车厂降低了零部件管理成本。这样不仅在微混系统的车辆中,在具有高压系统的新能源车中也可能会导入48V电源轨道,使一些中功率(比如1kW到10kW之间的)负载运行在48V电源系统中,由此带来高压(400V/800V)转换为48V的DC-DC变换器应用的闪亮登场。

由于同一车上三轨(HV,48V,12V)共存,基于整车电子电器架构、功能安全以及成本的考虑,供电网络拓扑到底是使用集中式的电压转换还是分布式的电压转换,会根据整车厂的设计而定,DC-DC的功率等级和功能安全等级也都会有不同的需求。




二、 有关“执行”




由上述提到的电源电压三轨共存,带来对于不同电压轨道下的执行器件的需求不同,也就是对于半导体功率器件的需求不同。不同的电压轨道,对于半导体功率器件提出了不同耐压等级的需求;不同的应用,又对功率器件提出了不同驱动电流和不同开关频率的需求。


48V电压轨道集中了从1kW到10kW的功率等级的应用。其中又以DC-DC和电机逆变器居多,从耐压和功率等级考虑,这里是硅基MOSFET和GaN的主战场。不过就目前来看,GaN在汽车电子中的应用还有待一些时日。


下图给出硅,碳化硅和氮化镓功率器件各自对应的一些应用领域,供参考。



而关于高压轨道下使用的功率器件,当下最热门的话题莫过于碳化硅(SiC)了。碳化硅功率器件以其低开关损耗、高耐压、高工作温度和高散热能力等优势,使系统可以在更高的电压和更高的频率下工作,从而减小被动元器件的体积、降低系统功耗损失、并提升系统的功率密度。但是另一方面,目前碳化硅材料的器件在成本上和硅基器件相比存在一定的劣势。综合的结果,我们认为在将来相当一段时间内,硅和碳化硅功率器件将会并存,在各自适合的领域发挥各自的长处。


根据英飞凌的分析和测试信息,使用碳化硅器件的动力系统与相同功率水平使用硅器件的动力系统相比,使用碳化硅器件的动力系统可以降低7.6%左右的功率损耗,这其中包括了电机驱动时的功率损耗降低和电机能量回收时的功率损耗降低两大部分。



下图是电机在不同转速和扭矩下,使用硅基IGBT和碳化硅MOSFET时的功率器件功耗差别的一组实验数据对比。可以看到,在电机转速2667rpm,输出扭矩为553.3Nm时,硅基IGBT的功耗比碳化硅MOSFET的功耗小13%左右。



由此,我们大致可以得出硅基IGBT和碳化硅MSOFET在驱动逆变器中的应用场景,如下图所示:



采用硅基IBGT和碳化硅MOSFET共用的“Hybrid”方案,可以充分发挥其各自的优势,取长补短。使用硅基IGBT驱动的电机,可发挥大电流下功率损耗低于MOSFET的优势,主要提供大扭矩输出,体现整车加速性能;而使用碳化硅MOSFET驱动的电机更多地工作于巡航工况,提升能源利用效率。从而达到两头兼顾,鱼和熊掌兼得。


这可以使车辆在保持相同续航里程的同时,降低电池容量,从而降低电池成本,对于导入碳化硅功率器件所带来的成本增加做一些补偿。同时,电池容量的减少和逆变器功率密度的提升,也可减轻车辆的重量,并提高整车能源的利用效率。 





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