电动汽车架构和逆变器

电动汽车市场是碳化硅（SiC）设备制造商最大和增长最快的商机之一。根据国际能源署 （IEA） 的数据，2020 年全球道路上有 1 万辆电动汽车，该组织敦促在这十年内大规模采用轻型电动汽车以应对气候变化。<>

作为碳化硅分立式肖特基二极管和MOSFET以及功率模块的领先供应商，Wolfspeed有助于在这个市场上取得成功。

Wolfspeed的引擎盖下是什么系列的这一章介绍了车辆动力总成电气化的各种架构，然后重点介绍电池EV（BEV）传动系统中的两个关键组件：电机和逆变器。我们讨论了电动机以及基于碳化硅的逆变器及其开关方案的类型和位置。

冰河时代的结束？

据行业观察人士称，内燃机（ICE）市场正在下降。汽车原始设备制造商最近没有就新的ICE研发投资或路线图的补充发布重大公告。这些知识，加上预计到 41 年将有 2026 万辆电动汽车和混合动力电动汽车 （HEV） 上路，2 表明 ICE 时代结束。

整车厂多年来一直在向电动动力总成过渡，1997年丰田普锐斯在日本作为首款HEV推出，2008年比亚迪在中国作为首款插电式HEV（PHEV）推出。因此，通往BEV的道路铺就了取决于电机驱动功率的各种级别的“混合动力”：

微型和轻度混合动力车：这些“eAssist”系统具有带式/集成式起动发电机，分别配备 12 V“微型”和 48 V“轻度”系统，分别配备 <5 kW 和 5 至 13 kW 电机，可提供将车辆从静止状态移动所需的扭矩。这种架构经常被大型卡车和SUV使用。

全混合动力：HEV 配备 20 至 40 kW 电机，完全由其 ICE 块和再生制动充电。电机和内燃机大部分时间同时工作。

插电式混合动力车：PHEV 中的 50 至 90 kW 电机允许纯电动本地通勤，交流壁挂电源一次充电的典型续航里程为 10-50 英里（16-80 公里）。

混合架构

混合动力传动系统具有类似于BEV的架构，只是它们具有额外的能源和较小的车载电能存储。在所有混合动力架构中，Wolfspeed 的 SiC 模块大放异彩，其共同特点是双向逆变器，允许 ICE 和再生制动为电池充电。然而，有四种主要的传动系统配置（图1），包括串联、并联、燃料电池和串联并联。

日产ePower、雪佛兰Volt、宝马i3、丰田普锐斯部分车型等系列混合动力车搭载与电池和电动机一致的内燃机。因此，车轮和内燃机在机械上被“解耦”。该设计的很大一部分是BEV的电机直接驱动车轮。当车载电池耗尽时，ICE驱动发电机，为电池充电并为电动机供电。每当需要大量电力时，电机都会从电池和发电机中获取电力。

图 1：用于混合动力 EV 的各种类型的架构。

一方面，两种能量转换（机械到电气到机械）会导致更高的损耗，3另一方面，ICE尺寸和速度都可以优化以实现高效率。这种架构中的电池组和电机往往比并联架构中的电池组和电机大，使其成为更昂贵的混合动力车。

燃料电池HEV（FCHEV）使用类似于串联混合动力的设计，除了ICE和发电机被燃料电池和功率调节器取代，该功率调节器可帮助燃料电池输出适当的电压和电流，在这种情况下为电池充电或驱动逆变器的电源。

与福特Fusion，本田思域和丰田普锐斯的某些车型一样，并联混合动力架构由与电动传动系统并联的ICE组成。车辆由ICE和电动机驱动，电动机连接到通常包括行星齿轮系统的机械变速器。改变内燃机和电机之间的功率分配，使它们都尽可能在最佳运行区域内运行。例如，当电动机不提供旋转动力时，ICE接管。

由于电动机和逆变器都比串联架构中的电动机小，因此并联混合动力车的成本较低。

功率分配或串联并联混合是串联和并联架构的组合，旨在利用两者的优势。行星齿轮系统用于使用ICE和电动机驱动轴，并且用于为电池充电的发电机也连接到轴上。

除FCHEV外，所有混合动力架构都被许多汽车制造商视为向更简单的BEV传动系统的过渡（图2），电池、电机和逆变器是牵引的主要部件。

图 2：典型 BEV 示意图，显示了牵引逆变器、电机和变速器以及其他功能模块

BEV轮毂电机和电动车桥

BEV电机根据其与传动系统的机械耦合可分为轮毂电机和电桥。轮毂电机安装在车轮上，直接驱动车轮。由此产生的车轴和机械齿轮的拆卸带来了更高的效率、更小的电机和逆变器以及更低的内部地板。

然而，轮毂电机需要特殊控制来调整每个车轮的速度以适应不断变化的要求，例如当转弯时，电动汽车需要外轮比内轮旋转得更快。由于差速器南瓜在无轴设计中不可用，因此转速差必须由电子电机控制处理。通过逆变器驱动和控制每个电机，这种设计可能会变得昂贵。另一个挑战是环保，防止灰尘、碎屑和水，这可能需要将所有电子设备与电机集成和密封。

轮毂电机的供应商比提供电动车桥的轮毂电机供应商较少，包括Protean、Elaphe和Nidec。

将电机安装在车轴中央可实现电桥设计。虽然这通常只需要每个轴一个电机，但可能会有所不同。例如，特斯拉的Tri-Motor在其中一个车轴上使用两个电机。

虽然电动车桥通常需要更大的电机，因为它们驱动整个轴，但它更便宜，因此更受欢迎。它的电子元件较少，因为一些速度控制要求被更便宜的机械部件所取代。

EV用电机类型

BEV不使用直流电机，因为高速扭矩不足，换向器磨损迅速。也避免使用单相交流电机，因为它们不能提供足够的启动转矩，并且额定功率要低得多，因此适用于家用电器的较轻负载。另一方面，三相交流电机为BEV提供从中速到高速的高扭矩，可以进一步调整以满足传动系统的需求。BEV使用三种类型的三相交流电动机之一 - 感应，永磁同步和永磁同步磁阻。

感应或非同步电机没有电刷，避免了零件磨损。转子绕组产生所需的磁场——没有昂贵的永磁体。电机由变频器直接控制交流输出基频，滑差频率小。然而，这些电机的启动扭矩较低，通常在较旧的BEV车型架构中找到，例如特斯拉Model S。

永磁同步机是BEV中最常见的，如丰田普锐斯，宝马i3，奥迪e-Tron和日产聆风。虽然它们比感应电机更容易启动，但它们需要在转子内部安装永磁体。随着额外的成本，效率也更高，因为转子不消耗电流。

永磁同步磁阻机是一种较新的电机，比纯感应电机效率更高。它们具有更高的功率密度，但控制起来更复杂。例如在特斯拉Model 3中，它们因其较低的惯性而使用，有助于实现更高的加速度。

牵引逆变器

牵引逆变器将来自电池的高压直流转换为电机所需的三相交流电（图 3）。但是，并非所有设计都使用图中所示的升压转换器。

图 3：使用三个基于 SiC MOSFET 的半桥模块的三相牵引逆变器。DC-DC升压转换器也采用SiC MOSFET模块实现，并非总是需要。

再生制动所需的双向逆变器最好使用SiC功率模块实现，因为与硅IGBT组件相比，它们可实现更高的效率，更大的功率密度和更简单的电路。

逆变器通常需要输出开关频率在6 kHz和24 kHz之间的方波。该输出由电机的固有电感滤波，以提供基频，这也是同步电机的轴转速。

尽管大多数现代微控制器都使用经典的脉宽调制（PWM）方案，并且易于实现电机控制，但它在牵引逆变器中并不常见，因为它不是最有效的开关方案。相反，空间矢量PWM（SV-PWM）用于BEV应用。它允许过调制以衰减正弦波的顶部，以便可以施加高于直流母线总线电压的电压，并通过电机驱动更大的电流（图 4）。该方案还最大限度地减少了逆变器六个开关的开关转换，从而降低了开关损耗并提高了效率。

图 4：三相 SV-PWM 波形

BEV避开了开环变频控制，转而采用闭环磁场定向控制（FOC），因为前者使用查找表而不是反馈来仅获得低精度的速度控制。FOC增加了转子角度位置编码器和相电流检测要求的成本，但可以设置各种操作模式下所需的电场 - 坡道保持，最大加速度，高速，制动甚至故障。

逆变器还使用有源短路（ASC）功能来处理故障，例如在高速接合再生制动时防止向电池输送非常高的功率。ASC将电机相位短路几毫秒，承包商需要几毫秒，以打开电路并保护电池。

结论

根据美国能源部的数据，BEV的行驶距离不到1美元，与基于内燃机的车辆在一加仑汽油上的行驶距离相同。Wolfspeed 的 SiC 可实现 BEV 中的所有关键和许多辅助功能。

审核编辑：郭婷