时间: 2024-10-21 11:01:24 | 作者: 废气净化设备
电动汽车的电驱动系统分为大三电和小三电，大三电是驱动电机总成、控制器总成、传动总成，小三电是车载充电机、DC/DC转换器、高压配电盒，其中核心技术：驱动电机、功率变换器、控制单元。
电驱动系统是电动车中三大关键部件之一，电动车的驱动系统的构成：电驱动系统和物理运动机构。电驱动系统由电动机 、控制器、 传功率转换器、电源、传感器等组成, 作为能量转换中枢, 是动力电池和交流电机传递功率的桥梁, 它的职业是将电池组存储的电能转换为交流电机输出的机械能的效果, 通常它的集成度要求高。
电动汽车的电驱动系统分为大三电和小三电，大三电是驱动电机总成、控制器总成、传动总成，小三电是车载充电机、DC/DC转换器、高压配电盒，其中的核心部件：驱动电机、功率变换器、控制单元。这个系统使用的电机一般具备电动和发电的功能。根据类型可分为交流、直流、永磁无刷等若干种电机。功率转换器按电机的类型, 可采用直流功率变换器、交流功率变换器等, 其职责是将电池直流电转化成电机的驱动电压和电流, 但是电机的控制管理系统用于调节电机运作时的状态, 达到整车运行的要求。
混合动力汽车和电动汽车需要有电池, 超级电容等储能装置来存储电能、输出电能, 电能从储能一侧传输到负载一侧需要功率变换器，比如直流变换器DC-DC, 整流变换AC-DC和逆变器DC-AC等。
因为电动汽车的驱动电机转速范围比较广, 动力电池的电压变化幅度大, 那么给电机控制和设计带来压力。为了改善驱动性能, 那么在电机逆变器和动力电池之间增加一级直流变换器，让这个直流变换器工作在恒压模式, 就是逆变器的输入端电压被控制到某个恒定值。电池电压提升后通过逆变器驱动电机。
举个丰田 Prius的例子，它在2/3代整车驱动部分搭载下面的电气结构, 驱动电机是永磁同步的电机；动力电池电压是201.6 V, 通过直流变换器升压至 500- 650 V, 然后由逆变器驱动电机。系统工作在驱动模式的时候, 电池通过变换器向电机输送能量；能力回收制动的时候, 电能由直流变换器回收到电池。
当下大部分电动汽车的车载电气系统搭载如下基本结构。电动汽车的电驱动系统是很重要的子系统, 影响车况的性能、动力输出、行驶品质和节约能源的效果。而且它也是电动汽车动力舱内空间需求较大的设备。那么提高该子系统的功率传输效率和功率密度，将其集成化，小型化一直是它的目标。
在电驱动系统中, 通常是由功率变换器将电池储存的电能经过电压/频率转换后供给电机和其他的交流负载。混合储能系统目的是在缓冲和吸收负载激辩或者能量回收时候引发的瞬间大功率。为扩展混合储能系统性能, 双向直流变换器被比较大量的采用。
针对电动汽车的附件系统, 为稳定且有效的控制执行机构, 直流变换器一样也被大量的搭载。那么直流变换器的性能很重要, 那么拓扑设计与半导体器件更新迭代是提升直流变换器性能的重要技术方法。
直流变换器可划分：隔离型直流变换器、非隔离型直流变换器。隔离型直流变换器一般是通过引入高频变压器, 能量由电磁转变传递, 并达到隔离功能。如下为其基本结构, 变换器的构成：逆变器、高频变压器、整流器模块。常用拓扑结构: 半桥、全桥及其衍生结构。
针对非隔离型直流变换器的结构也较多，通常非隔离直流变换器的拓扑结构如下。其中 Buck 变换器和 Boost 变换器, 就是半桥中间接入电感的结构, 使用最多的拓扑。由此结构的简单变形可衍生并联型, 级联型和三电平结构。电路工作在升压模式, 电能从低压到高压侧的传输, 其中 S1 处于关闭状态, S2 为主开关,只有体二极管在工作。其中(b)的电路是BUCK 变换器, 高压侧到低压侧传输电能, S1是非同步整流状态, S2是主开关,仅起续流作用。
并联交错型(c): Buck/Boost 电路的并联交错结构, 它是由2个直流变换器经过共享感性或容性器件并联的方式组成, 两路直流变换器互补式的工作, 降低输出电流的纹波, 那么这类变换器可提高功率密度和输出功率。
级联型(d) 让两组基本直流变换器背向连接，就可以组成级联型直流变换器, 这一类类变换器形成对称结构。此结构克服能量传递方向受到左右侧的电压高低限制, 也规避左右侧电源的直通。
三电平型(e): 三电平直流变换器的组成：一个电感、一个换向电容、四个功率管。三电平式拓扑可以较大程度降低功率管耐压等级, 来适应输入电压较高的系统。
纯电动汽车、混合动力汽车的电驱系统, 混合储能系统和附件驱动系统要功率器件和控制模块。当下电动汽车大规模的采用硅(Si)基半导体的功率器件。变换器一般都会采用 IGBT 元件。功率器件和控制单元的成本达到电力系统一半以上, 其中电力系统又达到电动汽车成本的 20%左右, 它决定整车的能量转换效率。随着电动汽车电驱动的集约化、智能化、节能化。传统的控制芯片和开关器件无法达到一定的要求。硅半导体器件的材料已经接近极限, 控制算法慢慢复杂化, 以前的控制单元的控制带宽, 动态响应趋于瓶颈。
其一， 实现电动汽车电力系统的小型化和集约化需新一代碳化硅Si/氮化镓半导体GaN功率器件的支持。宽禁带功率半导体器件和硅器件对比, 具备的优点为高饱和速度、宽能带、高导热性和高击穿电场。与传统硅对比, 第三代半导体器件(碳化硅、氮化镓等)具有导通损耗少、电阻小、 反向恢复电流小、工作频率高、开关损耗低等优势，其电路设计可压缩电容和电感等元件。全新的功率半导体器件、电路拓扑、控制算法、由此产生的附加问题的解决在整个技术链中慢慢的变迫切。
碳化硅器件具备较高的热导率、 高禁带宽度、电子饱和漂移速度。那么碳化硅器件的优点如下
低导通损耗: 一般半导体器件导通损耗和击穿场强成反比, 那么同等功率等级下, 碳化硅器件的导通损耗小于硅器件。而且碳化硅器件的导通损耗和温度条件基本不相关，这就是碳化硅器件高温工作的原因。
耐高温特性: 碳化硅的晶体结构很稳定, 能带宽度为 2.2-3.3 e V, 那碳化硅器件的理论工作时候的温度最高达 600 ℃。
高开关频率: 碳化硅器件热导系数是硅器件的两点五 倍, 碳化硅器件的饱和电子漂移率两倍于硅器件来实现更高的频率的工作。
高阻断电压: 碳化硅器件的击穿电场是硅器件的10倍, 那么碳化硅器件的电压阻断能力远大于硅器件。
上述的优势下， 同等功率的应用, 器件的散热系统、使用数量的规模、滤波元器件体积和系统效率能大幅减小。碳化硅的优势可显著提升电能变换装置的功率密度，并且减小系统功耗，碳化硅功率器件能够减小电动汽车驱动系统的重量和空间。合理规划利用碳化硅器件的耐高温特性可达到引擎冷却和变换器冷却一体化的效果。
2015年5 月，TOYOTA宣布配备碳化硅半导体功率控制单元PCU的混合动力车的公路实验结果中,已确认效率跟原本的改善达到5%, 电力损失可减少50%。
2020华为发布多合一电驱动系统DriveONE，华为多合一电驱动系统集成MCU、减速器、电机、OBC、PDU、DCDC、BCU七大部件，实现机械部件和功率部件的深层次地融合。而且还把智能化带入到电驱动系统中，实现端云协同和控制归一。
作为首款高压多合一电驱动系统，它满足2C快充的体验，10分钟的充电可达到200km的续航。这个系统还具备更高效率，其NEDC效率为89%，还有更高精，其SOC检测精度为±3%、还有更少能耗来提升续航能力。而且更功率密度可达到2.1kw/kg，堪称科技担当。
