使用相同的电池增加电动汽车的续航里程–通过更好的软件提高效率

我们已经看到提高电动汽车动力总成的效率可以增加其续航里程。除了纯机械解决方案（例如使用更大（或多个）电动机或变速箱的附加组件）之外，立即提高效率的最佳方法是使用更好的软件来控制动力总成的不同元件。

在这种情况下，让我们首先定义什么是“更好的软件”：更好的软件是控制电动机及其逆变器的软件，从而扩大其工作范围，从而扩大其最佳工作区域，提供更高的功率，并提供更好的整体电动动力总成效率。

对更宽工作范围的挑战

要扩大电动机的工作范围，您需要对其进行控制，以便通过提高最大速度并在速度范围内提供更大的扭矩来提供更多功率。不幸的是，扭矩和速度的增加会在逆变器和电动机本身中引入多种不良副作用。逆变器功率晶体管的开关损耗会增加，电动机的铁和铜损耗也会增加。需要先进的补偿技术和调制策略来减轻损耗的增加，并消除不必要的严重附带效应，如谐波注入、噪声和振动。

图 1 – 不断扩大的电动机工作范围带来了更多挑战

逆变器中的开关损耗

逆变器是一种电源转换系统，它将来自电池的直流电 （DC） 转换为多相交流电 （AC）。交流电的输出正弦波是通过使用脉宽调制（PWM）技术以一定速度（或更准确地说在特定频率）交替地打开/关闭多个功率晶体管的排列来构建的。逆变器要求的开关频率与其控制的电动机的速度以及电动机的对极数直接相关。

在每个开关处，晶体管换向过程中每个晶体管的内阻（传导损耗）和电容（开关损耗）中损失了一部分能量。根据功率晶体管技术（MOSFET、IGBT、SiC 或 GaN），损耗值是可变的。一般规则是，需要的开关越多，逆变器损耗就越高。

电动机中的铁和铜损耗

在同步电机中，主要电损耗来自用于在定子中产生旋转磁场的铁芯和铜线圈[1]。

如图2所示，铁损在较高速度下占主导地位。它们是由于铜线圈在铁中感应的电流（涡流[2]）。当场强超过一定限度时，谐波和噪声被注入电动机。

图2 –铜和铁损耗定位

铜损[3]在低速和高扭矩下占主导地位。为了获得最大扭矩，通过在铜线圈中发送更多电流来增强磁场。随着电流的增加，电阻损耗增加，从而降低整体效率并增加散热，从而可能损坏电机本身。

通过更好的软件控制减少损失并提高效率

对于每个工作扭矩/速度设定点，主要损耗是不同的，单个调制策略无法适当地平衡损耗。减少损耗的解决方案是通过使用不同的调制技术来控制逆变器和电动机，从而限制其发生，超越标准和广泛使用的空间矢量PWM（SVPWM）技术。科学文献[4]描述了分为连续和不连续调制技术（CPWM，DPWM）的复数方法，这些方法在扭矩/速度操作设定点上具有不同的优点和缺点。其中一个缺点是噪声振动声粗糙度（NVH），这会对车辆的驾驶性能产生负面影响。

Silicon Mobility通过称为自适应PWM控制（APC）的增强调制策略提供更好的软件控制。

APC应用不同的调制策略，这些策略在电动机的电气角度位置上非常精确地切换。电压相位补偿（VPC）算法用于扩展电动机的工作范围，以连续校正磁通量。然后，磁场定向控制（FoC）与强大的选择性谐波消除（SHE）算法相辅相成，以高电角度分辨率整形逆变器相电压信号，同时消除整个电动机扭矩/速度图中的功率晶体管开关事件，谐波和NVH效应。

图 3 – 自适应 PWM 控制可在多种调制策略之间无缝排列

最后，在电机转矩/速度曲线的“恒定功率”区域使用降噪过调制（ONR）算法，以消除几乎所有的铜损。无论电机的扭矩/速度需求在哪里，Silicon Mobility的APC都会应用适当的调制来消除损耗。调制策略之间的选择因逆变器和电动机特性以及每个设定点上的扭矩/速度主要损耗而异。

APC配备了OLEA APP INVERTER HE，这是一个在OLEA FPCU上运行的应用程序，是唯一能够支持这种更好软件的半导体产品。WTLP测试周期的仿真表明，与在现有多核微控制器上运行的传统控制系统相比，OLEA APP INVERTER HE将逆变器/电动机中的电动动力总成效率提高了20%。

审核编辑：郭婷