“交流電池”（AC battery）屬于交流可重構(gòu)電池系統(tǒng)，將電池、電池管理系統(tǒng)、脈沖逆變器、低壓DC-DC和車載充電器等功能集成到一個(gè)組件中，集成度更高，它與傳統(tǒng) BEV 系統(tǒng)的主要區(qū)別在于功率轉(zhuǎn)換層級(jí)。該系統(tǒng)不依賴單個(gè)大型逆變器，而是包含多個(gè)較小的逆變器，每個(gè)逆變器都集成了一個(gè)電池模塊。保時(shí)捷“交流電池”系統(tǒng)將高壓電池分拆成了18個(gè)單獨(dú)的電池子模塊，分布在三個(gè)相位上，它們可以通過SiC MOSFET進(jìn)行單獨(dú)控制。而各個(gè)電池模塊靈活地互連成模塊化多級(jí)串并聯(lián)轉(zhuǎn)換器（MMSPC），形成分布式實(shí)時(shí)系統(tǒng)，從而可以動(dòng)態(tài)建模電壓曲線，這樣就可以直接從電池模塊的直流電壓產(chǎn)生電機(jī)的正弦三相交流電壓。

圖1.保時(shí)捷AC battery系統(tǒng)整體方案

SiC MOSFET提升電驅(qū)系統(tǒng)效率

SiC MOSFET是一種基于碳化硅材料的金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管，采用碳化硅SiC作為半導(dǎo)體材料，結(jié)合了MOSFET的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，具有高耐壓、低導(dǎo)通電阻和高頻開關(guān)能力等顯著優(yōu)勢。與傳統(tǒng)的硅基MOSFET相比，它在高功率和高溫應(yīng)用中表現(xiàn)出更優(yōu)越的性能。這種器件因其高效、耐高溫和高頻特性，在電力電子領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。現(xiàn)階段，采用基于SiC MOSFET的電機(jī)控制器成為提升電驅(qū)系統(tǒng)的效率的確定性趨勢。

作為一種由硅和碳組成的化合物半導(dǎo)體材料，SiC‌具有寬禁帶（3.26eV，遠(yuǎn)高于硅的1.12eV）、高擊穿電場強(qiáng)度（約為硅的10倍）和高熱導(dǎo)率（約為硅的3倍）等特性，使得SiC MOSFET能夠在高溫、高電壓和高頻環(huán)境下穩(wěn)定工作，同時(shí)實(shí)現(xiàn)更小的器件尺寸和更高的效率。在提高動(dòng)力系統(tǒng)效率方面，SiC技術(shù)具有巨大的潛力，比傳統(tǒng)硅基IGBT具有更快的開關(guān)動(dòng)態(tài)、反向傳導(dǎo)能力帶來的導(dǎo)通損耗降低以及更優(yōu)越的熱性能。

SiC的擊穿電場強(qiáng)度高，使得漂移層可以更薄且雜質(zhì)濃度更高，從而顯著降低導(dǎo)通電阻。例如，900V耐壓的SiC MOSFET芯片尺寸僅為硅基MOSFET的1/35。SiC MOSFET在開關(guān)過程中不產(chǎn)生尾電流，因此開關(guān)損耗低，適合高頻應(yīng)用，如逆變器和轉(zhuǎn)換器。SiC的寬禁帶特性使其在高溫下仍能保持穩(wěn)定的半導(dǎo)體性能，適用于高溫環(huán)境。SiC MOSFET因?yàn)楦哳l和高效特性，成為電動(dòng)汽車電力電子系統(tǒng)的理想選擇。

在新能源汽車中，SiC主要應(yīng)用于動(dòng)力控制單元（PCU）和充電單元（OBC）。對(duì)PCU而言，應(yīng)用SiC的SiC MOSFET相較當(dāng)前主流的Si IGBT能夠讓升壓轉(zhuǎn)換器將動(dòng)力電池的輸出電壓升壓到更高。更高的輸出電壓可以適配性能更加強(qiáng)勁的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，有效減小尺寸、體積和重量，同時(shí)也能讓逆變器將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟姷念l率變得更高。

SiC同時(shí)具有更低的關(guān)斷損耗，從而減少了發(fā)熱量。這樣一來，首先可以提高效率并擴(kuò)大高效轉(zhuǎn)速區(qū)間，讓新能源車在過去不擅長的中高速工況下也變得高效，帶來更長的續(xù)航里程；二來，由于發(fā)熱量大幅降低，使PCU散熱需求降低，從而縮小PCU 質(zhì)量與體積，釋放更多空間并進(jìn)一步輕量化，一定程度上延長續(xù)航。因此，SiC在PCU上的應(yīng)用，可以讓新能源汽車?yán)m(xù)航更長，性能更強(qiáng)。而在OBC的應(yīng)用上，由于可以承受更高的充電電壓，使得充電時(shí)間進(jìn)一步縮短。

新型逆變器具有多項(xiàng)優(yōu)勢

MMSPC的“電池-轉(zhuǎn)換”模塊由電池子模塊和SiC MOSFET器件構(gòu)成，每個(gè)“電池-轉(zhuǎn)換”模塊采用了8個(gè)SiC MOSFET器件，也就是說整個(gè)MMSPC系統(tǒng)用到了144個(gè)器件。雖然SiC MOSFET用量增加了，但是由于電池可用性大幅提升，可彌補(bǔ)這部分的成本增加。這18個(gè)“電池-轉(zhuǎn)換”子模塊能夠?qū)崿F(xiàn)構(gòu)成不同的互連配置，如并聯(lián)、串聯(lián)、旁路和無源電路，例如將所有模塊進(jìn)行并聯(lián)，那么電池電壓是最低的。如果將它們?nèi)看?lián)，則電壓達(dá)到最大值。中間值是通過模塊并聯(lián)和串聯(lián)的不同組合來實(shí)現(xiàn)的。

與兩電平逆變器相比，這種多電平輸出電壓具有多項(xiàng)優(yōu)勢：輸出交流濾波器更小、牽引電機(jī)損耗更低以及整體動(dòng)力系統(tǒng)效率更高。據(jù)保時(shí)捷工程公司專家項(xiàng)目經(jīng)理丹尼爾·西蒙介紹，MMSPC系統(tǒng)既可以在行駛時(shí)直接控制電動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，也可以直接連接到交流電網(wǎng)為電池進(jìn)行高壓快充。

“交流電池”系統(tǒng)更具靈活性，更容易擴(kuò)展到各種不同類型電驅(qū)動(dòng)力總成系統(tǒng)。對(duì)不同電壓等級(jí)的電池子模塊進(jìn)行“區(qū)別對(duì)待”，從而可以更好地應(yīng)對(duì)電池老化問題。在維修或發(fā)生事故時(shí)，可以更安全地處理載流部件。MMSPC關(guān)閉后，系統(tǒng)能夠有效地變成單獨(dú)的“電池-轉(zhuǎn)換”模塊，這樣系統(tǒng)只檢測單獨(dú)的模塊。如果某個(gè)電池單元出現(xiàn)故障，智能控制系統(tǒng)會(huì)繞過而不是用它，大大提高了故障保護(hù)能力。傳統(tǒng)電池一旦檢測出問題，會(huì)導(dǎo)致整個(gè)車輛故障癱瘓而無法行駛，保時(shí)捷的MMSPC可以實(shí)現(xiàn)所謂的“跛行回家”功能，使車主能夠以較低的功率到達(dá)最近的維修廠。

傳統(tǒng)電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包含高壓電池及電池管理系統(tǒng)（BMS）、電機(jī)控制功率電子器件以及車載充電器（AC / DC 轉(zhuǎn)換）三大獨(dú)立部件，而保時(shí)捷的交流電池通過MMSPC技術(shù)，將上述功能集成于單一組件，在減重30%的同時(shí)提升能量密度。雖然保時(shí)捷并沒有提交這個(gè)系統(tǒng)的續(xù)航、成本等數(shù)據(jù)，但瑞典林雪平大學(xué)林雪平大學(xué)團(tuán)隊(duì)的類似研究表明，使用可重構(gòu)電池系統(tǒng)，整體系統(tǒng)的續(xù)航里程比傳統(tǒng)電池系統(tǒng)高出約6%，充電時(shí)間可比傳統(tǒng)電池組快22%。

中央控制單元強(qiáng)大而快速

要使交流電池概念成為現(xiàn)實(shí)，精確控制各個(gè)“電池-轉(zhuǎn)換”模塊，最大的挑戰(zhàn)是開發(fā)一個(gè)強(qiáng)大而快速的中央控制單元。為此，保時(shí)捷研制了由一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的控制單元概念進(jìn)行控制的系統(tǒng)，具有特別強(qiáng)大的實(shí)時(shí)、統(tǒng)一且高度集成的計(jì)算平臺(tái)，交流電池的各個(gè)功能（如電機(jī)和電池管理，以及充電功能）都在其上并行運(yùn)行。該控制單元系統(tǒng)由兩大部分組成，一個(gè)是特定項(xiàng)目基板，另一個(gè)是獨(dú)立于項(xiàng)目的計(jì)算單元，以系統(tǒng)化模塊的形式，與基板具有統(tǒng)一的接口。

圖 2. 保時(shí)捷“電池 - 轉(zhuǎn)換”模塊的 DC-AC 工作原理圖

這個(gè)控制單元系統(tǒng)相當(dāng)于一個(gè)異構(gòu)多處理器平臺(tái)，并作為單個(gè)片上系統(tǒng)運(yùn)行。它結(jié)合現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA），用于控制和監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)能力，還有一個(gè)強(qiáng)大的多核處理器，用于在單個(gè)組件中處理大量數(shù)據(jù)。多核處理器是指在一枚處理器中集成兩個(gè)或多個(gè)完整的計(jì)算引擎（內(nèi)核），此時(shí)處理器能支持系統(tǒng)總線上的多個(gè)處理器，由總線控制器提供所有總線控制信號(hào)和命令信號(hào)。

FPGA是一種在計(jì)算和數(shù)字電路領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的硬件設(shè)備，以其獨(dú)特的可編程性和靈活性，成為了處理多種應(yīng)用的理想選擇。它能夠接管復(fù)雜的計(jì)算，以減輕處理器的負(fù)擔(dān)，并補(bǔ)充缺失的外圍設(shè)備。與通常的純微控制器解決方案相比，在擴(kuò)展性和靈活性方面具有明顯優(yōu)勢。通過選擇片上系統(tǒng)系列中的衍生產(chǎn)品，其性能可以從基本的電子控制單元（ECU）要求，例如I/O驅(qū)動(dòng)、通信網(wǎng)關(guān)或電力電子設(shè)備，擴(kuò)展至具有額外圖形處理單元（GPU）和視頻編解碼器要求的復(fù)雜先進(jìn)駕駛輔助（ADAS）系統(tǒng)。

新的控制單元系統(tǒng)的一大特點(diǎn)是以軟件為中心實(shí)現(xiàn)控制單元功能，其中一部分在處理器上運(yùn)行。利用FPGA實(shí)現(xiàn)快速控制和最佳開關(guān)策略，最終同步控制所有模塊，可以通過軟件進(jìn)行動(dòng)態(tài)重構(gòu)。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，模塊上的電力電子設(shè)備必須實(shí)施這種開關(guān)策略，通過使用帶有中央處理器（CPU）和可編程增益放大器（PGA）的片上系統(tǒng)方法，實(shí)現(xiàn)普通微控制器無法實(shí)現(xiàn)的硬實(shí)時(shí)能力。  

由于能夠靈活地適應(yīng)新的要求，因此該控制單元系統(tǒng)適用于需要高計(jì)算能力和實(shí)時(shí)能力的所有應(yīng)用，盡管在項(xiàng)目進(jìn)行過程中這些要求仍可能發(fā)生變化。因?yàn)槟軌驇椭鷮?shí)現(xiàn)控制單元系統(tǒng)化模塊上的片上系統(tǒng)的項(xiàng)目獨(dú)立組合，很好地處理其他復(fù)雜的任務(wù)，因此成為用于原型開發(fā)的功能性原型平臺(tái)的良好選項(xiàng)。

與傳統(tǒng)的電子控制單元（ECU）原型相比，新的控制單元的優(yōu)點(diǎn)包括加快功能開發(fā)，例如硬件可以提供高計(jì)算儲(chǔ)量，而基本軟件和現(xiàn)有軟件塊可以作為開發(fā)控制單元的良好起點(diǎn)。保時(shí)捷表示，已經(jīng)將交流電池概念與新的控制單元平臺(tái)一起應(yīng)用于各種車輛原型，并在測試臺(tái)上進(jìn)行了成功的測試，原則上該概念也適用于稍加修改的系列應(yīng)用。
（編譯自cleantechnica.com，March26，2025）

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近日，極氪和沃爾沃公布了基于最佳直流鏈路電壓和同步升壓轉(zhuǎn)換器的電動(dòng)汽車SiC電驅(qū)設(shè)計(jì)。為了進(jìn)行比較，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)“升壓器+逆變器”電路采用兩類功率模塊：半橋SiC模塊CAB450M12XM3和硅基IGBT模塊FZ600R12KE3。其中基于SiC的“升壓器+逆變器”系統(tǒng)使用了四個(gè)SiC半橋模塊（一個(gè)用于升壓器，三個(gè)用于逆變器），每個(gè)開關(guān)位置都有一個(gè)SiC MOSFET；基于IGBT的逆變器使用了6個(gè)IGBT模塊，每個(gè)開關(guān)位置一個(gè)，升壓器采用兩個(gè)模塊，以滿足每個(gè)分析中的相應(yīng)設(shè)計(jì)規(guī)范。具體在電機(jī)方面，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)定定子有48個(gè)槽，為了提高計(jì)算效率，利用八個(gè)相同極點(diǎn)的對(duì)稱性將模型縮小到原來的八分之一。

結(jié)果表明，使用SiC MOSFET可以發(fā)揮通過DC-DC（直流-直流）升壓器實(shí)現(xiàn)的可調(diào)DC鏈路電壓的優(yōu)勢，增強(qiáng)可調(diào)DC鏈路電壓電驅(qū)系統(tǒng)的節(jié)能潛力。究其原因，一是在逆變器損耗的減少，二是使用SiC MOSFET 時(shí)，DC-DC升壓器引入的額外電力電子損耗幾乎可以忽略不計(jì)。在WLTC（全球統(tǒng)一輕型車輛測試循環(huán)）行駛周期內(nèi)，基于IGBT和SiC的系統(tǒng)在較高的固定升壓450V直流鏈路電壓下，累積能量損耗都有顯著降低，其中IGBT“升壓器+逆變器”系統(tǒng)降低了27%，而SiC“升壓器+逆變器”系統(tǒng)降低了31.7%。

最佳直流鏈路電壓曲線實(shí)現(xiàn)了更大的能量損耗降低。從整個(gè)WLTC行駛周期內(nèi)來看， SiC“升壓器+逆變器”系統(tǒng)的累計(jì)能量損耗比IGBT系統(tǒng)減少了16%。與固定的300V未升壓直流母線電壓相比，采用最佳直流鏈路電壓曲線，可使基于SiC的“升壓器+逆變器”系統(tǒng)的能耗減少58%，使基于IGBT的“升壓器+逆變器” 系統(tǒng)的能耗減少54%。與固定的450 V升壓直流母線相比，能量損失減少了30%以上。

編譯：李忠東

來源：榮格-《國際汽車設(shè)計(jì)及制造》

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