電動汽車架構和逆變器

電動汽車市場是碳化硅（SiC）設備制造商最大和增長最快的商機之一。根據國際能源署 （IEA） 的數據，2020 年全球道路上有 1 萬輛電動汽車，該組織敦促在這十年內大規模采用輕型電動汽車以應對氣候變化。<>

作為碳化硅分立式肖特基二極管和MOSFET以及功率模塊的領先供應商，Wolfspeed有助于在這個市場上取得成功。

Wolfspeed的引擎蓋下是什么系列的這一章介紹了車輛動力總成電氣化的各種架構，然后重點介紹電池EV（BEV）傳動系統中的兩個關鍵組件：電機和逆變器。我們討論了電動機以及基于碳化硅的逆變器及其開關方案的類型和位置。

冰河時代的結束？

據行業觀察人士稱，內燃機（ICE）市場正在下降。汽車原始設備制造商最近沒有就新的ICE研發投資或路線圖的補充發布重大公告。這些知識，加上預計到 41 年將有 2026 萬輛電動汽車和混合動力電動汽車 （HEV） 上路，2 表明 ICE 時代結束。

整車廠多年來一直在向電動動力總成過渡，1997年豐田普銳斯在日本作為首款HEV推出，2008年比亞迪在中國作為首款插電式HEV（PHEV）推出。因此，通往BEV的道路鋪就了取決于電機驅動功率的各種級別的“混合動力”：

微型和輕度混合動力車：這些“eAssist”系統具有帶式/集成式起動發電機，分別配備 12 V“微型”和 48 V“輕度”系統，分別配備 <5 kW 和 5 至 13 kW 電機，可提供將車輛從靜止狀態移動所需的扭矩。這種架構經常被大型卡車和SUV使用。

全混合動力：HEV 配備 20 至 40 kW 電機，完全由其 ICE 塊和再生制動充電。電機和內燃機大部分時間同時工作。

插電式混合動力車：PHEV 中的 50 至 90 kW 電機允許純電動本地通勤，交流壁掛電源一次充電的典型續航里程為 10-50 英里（16-80 公里）。

混合架構

混合動力傳動系統具有類似于BEV的架構，只是它們具有額外的能源和較小的車載電能存儲。在所有混合動力架構中，Wolfspeed 的 SiC 模塊大放異彩，其共同特點是雙向逆變器，允許 ICE 和再生制動為電池充電。然而，有四種主要的傳動系統配置（圖1），包括串聯、并聯、燃料電池和串聯并聯。

日產ePower、雪佛蘭Volt、寶馬i3、豐田普銳斯部分車型等系列混合動力車搭載與電池和電動機一致的內燃機。因此，車輪和內燃機在機械上被“解耦”。該設計的很大一部分是BEV的電機直接驅動車輪。當車載電池耗盡時，ICE驅動發電機，為電池充電并為電動機供電。每當需要大量電力時，電機都會從電池和發電機中獲取電力。

圖 1：用于混合動力 EV 的各種類型的架構。

一方面，兩種能量轉換（機械到電氣到機械）會導致更高的損耗，3另一方面，ICE尺寸和速度都可以優化以實現高效率。這種架構中的電池組和電機往往比并聯架構中的電池組和電機大，使其成為更昂貴的混合動力車。

燃料電池HEV（FCHEV）使用類似于串聯混合動力的設計，除了ICE和發電機被燃料電池和功率調節器取代，該功率調節器可幫助燃料電池輸出適當的電壓和電流，在這種情況下為電池充電或驅動逆變器的電源。

與福特Fusion，本田思域和豐田普銳斯的某些車型一樣，并聯混合動力架構由與電動傳動系統并聯的ICE組成。車輛由ICE和電動機驅動，電動機連接到通常包括行星齒輪系統的機械變速器。改變內燃機和電機之間的功率分配，使它們都盡可能在最佳運行區域內運行。例如，當電動機不提供旋轉動力時，ICE接管。

由于電動機和逆變器都比串聯架構中的電動機小，因此并聯混合動力車的成本較低。

功率分配或串聯并聯混合是串聯和并聯架構的組合，旨在利用兩者的優勢。行星齒輪系統用于使用ICE和電動機驅動軸，并且用于為電池充電的發電機也連接到軸上。

除FCHEV外，所有混合動力架構都被許多汽車制造商視為向更簡單的BEV傳動系統的過渡（圖2），電池、電機和逆變器是牽引的主要部件。

圖 2：典型 BEV 示意圖，顯示了牽引逆變器、電機和變速器以及其他功能模塊

BEV輪轂電機和電動車橋

BEV電機根據其與傳動系統的機械耦合可分為輪轂電機和電橋。輪轂電機安裝在車輪上，直接驅動車輪。由此產生的車軸和機械齒輪的拆卸帶來了更高的效率、更小的電機和逆變器以及更低的內部地板。

然而，輪轂電機需要特殊控制來調整每個車輪的速度以適應不斷變化的要求，例如當轉彎時，電動汽車需要外輪比內輪旋轉得更快。由于差速器南瓜在無軸設計中不可用，因此轉速差必須由電子電機控制處理。通過逆變器驅動和控制每個電機，這種設計可能會變得昂貴。另一個挑戰是環保，防止灰塵、碎屑和水，這可能需要將所有電子設備與電機集成和密封。

輪轂電機的供應商比提供電動車橋的輪轂電機供應商較少，包括Protean、Elaphe和Nidec。

將電機安裝在車軸中央可實現電橋設計。雖然這通常只需要每個軸一個電機，但可能會有所不同。例如，特斯拉的Tri-Motor在其中一個車軸上使用兩個電機。

雖然電動車橋通常需要更大的電機，因為它們驅動整個軸，但它更便宜，因此更受歡迎。它的電子元件較少，因為一些速度控制要求被更便宜的機械部件所取代。

EV用電機類型

BEV不使用直流電機，因為高速扭矩不足，換向器磨損迅速。也避免使用單相交流電機，因為它們不能提供足夠的啟動轉矩，并且額定功率要低得多，因此適用于家用電器的較輕負載。另一方面，三相交流電機為BEV提供從中速到高速的高扭矩，可以進一步調整以滿足傳動系統的需求。BEV使用三種類型的三相交流電動機之一 - 感應，永磁同步和永磁同步磁阻。

感應或非同步電機沒有電刷，避免了零件磨損。轉子繞組產生所需的磁場——沒有昂貴的永磁體。電機由變頻器直接控制交流輸出基頻，滑差頻率小。然而，這些電機的啟動扭矩較低，通常在較舊的BEV車型架構中找到，例如特斯拉Model S。

永磁同步機是BEV中最常見的，如豐田普銳斯，寶馬i3，奧迪e-Tron和日產聆風。雖然它們比感應電機更容易啟動，但它們需要在轉子內部安裝永磁體。隨著額外的成本，效率也更高，因為轉子不消耗電流。

永磁同步磁阻機是一種較新的電機，比純感應電機效率更高。它們具有更高的功率密度，但控制起來更復雜。例如在特斯拉Model 3中，它們因其較低的慣性而使用，有助于實現更高的加速度。

牽引逆變器

牽引逆變器將來自電池的高壓直流轉換為電機所需的三相交流電（圖 3）。但是，并非所有設計都使用圖中所示的升壓轉換器。

圖 3：使用三個基于 SiC MOSFET 的半橋模塊的三相牽引逆變器。DC-DC升壓轉換器也采用SiC MOSFET模塊實現，并非總是需要。

再生制動所需的雙向逆變器最好使用SiC功率模塊實現，因為與硅IGBT組件相比，它們可實現更高的效率，更大的功率密度和更簡單的電路。

逆變器通常需要輸出開關頻率在6 kHz和24 kHz之間的方波。該輸出由電機的固有電感濾波，以提供基頻，這也是同步電機的軸轉速。

盡管大多數現代微控制器都使用經典的脈寬調制（PWM）方案，并且易于實現電機控制，但它在牽引逆變器中并不常見，因為它不是最有效的開關方案。相反，空間矢量PWM（SV-PWM）用于BEV應用。它允許過調制以衰減正弦波的頂部，以便可以施加高于直流母線總線電壓的電壓，并通過電機驅動更大的電流（圖 4）。該方案還最大限度地減少了逆變器六個開關的開關轉換，從而降低了開關損耗并提高了效率。

圖 4：三相 SV-PWM 波形

BEV避開了開環變頻控制，轉而采用閉環磁場定向控制（FOC），因為前者使用查找表而不是反饋來僅獲得低精度的速度控制。FOC增加了轉子角度位置編碼器和相電流檢測要求的成本，但可以設置各種操作模式下所需的電場 - 坡道保持，最大加速度，高速，制動甚至故障。

逆變器還使用有源短路（ASC）功能來處理故障，例如在高速接合再生制動時防止向電池輸送非常高的功率。ASC將電機相位短路幾毫秒，承包商需要幾毫秒，以打開電路并保護電池。

結論

根據美國能源部的數據，BEV的行駛距離不到1美元，與基于內燃機的車輛在一加侖汽油上的行駛距離相同。Wolfspeed 的 SiC 可實現 BEV 中的所有關鍵和許多輔助功能。

審核編輯：郭婷