電動汽車牽引逆變器剖析
2023-04-21 12:52:40 EETOP牽引逆變器是 EV 動力系統核心的關鍵部件，負責控制電動機、改善行駛里程、響應能力、平穩性、牽引力和操控性。
閱讀本文你將能了解如下內容：
電動動力總成如何成為采用電動汽車的基礎，提供比汽油發動機更可靠、更持久的機動性。
牽引逆變器在安全、準確、高效地控制電動馬達以實現續航里程、響應性、平穩性、牽引力和操控性方面的作用。
牽引逆變器背后的技術。
可降低電動汽車成本、延長其行駛里程、改善消費者體驗并提供更廣泛的電動馬達選擇的技術和解決方案。
幾個關鍵因素正在推動向電動汽車 (EV) 的巨大轉變，汽車制造商大力投資于汽車的電氣化。政府法規和激勵措施支持全球推動減少溫室氣體排放。與此同時，隨著成本下降，消費者對電動汽車優勢的認識和興趣持續攀升。此外，正在采取措施解決駕駛里程焦慮和擴大充電基礎設施。
綜合這些因素，再加上電動汽車普及率的提高，許多市場研究人員預測，到 2030 年，每年售出的新車中有 50% 將是電動汽車。
由于運動部件的減少——從內燃機 (ICE) 車輛的數百個減少到電動汽車的約 20 個，新的電動動力總成有望提供更可靠、更持久的機動性，同時減少維護。
一些關鍵部件支持基于典型容量為 40 至 200+ kW/h 的高壓（約 400 至 800 V 直流）電池組和一個或多個電動機（e-motors）的電動動力總成。例如，車載充電器 (OBC) 將通過充電點接收的交流電轉換為直流電并控制電池充電。電池管理系統 (BMS) 持續監控電池狀態，并確保在發生故障時對其進行安全管理。
此外，DC-DC 轉換器為信息娛樂和車身等其他系統提供較低的電壓，如 12/24/48 V DC。牽引逆變器將電池的直流能量安全地轉換為交流電，以控制電動機扭矩來驅動電動汽車。
牽引逆變器的重要性
牽引逆變器是電動汽車動力系統核心的關鍵部件，直接影響電池電量，并最終影響消費者的駕駛體驗。它負責安全、準確、高效地控制電動馬達，以實現續航里程、響應能力、平穩性、牽引力和操控性。
牽引逆變器集成了許多技術來處理來自車輛控制單元 (VCU) 的扭矩命令，并根據需要安全地控制電動機。讓我們仔細看看端到端的實時控制回路（圖 1）。
1.電動汽車牽引逆變器負責安全、準確、高效地控制電機。
車輛的運動取決于多個扭矩需求輸入，例如加速器和制動踏板的狀態、電子穩定控制以及自動緊急制動和自適應巡航控制等 ADAS 功能。
基于這些輸入，VCU計算扭矩值并通過 CAN 或以太網接口將扭矩值發送到安全微控制器(MCU)。在多電機的電動汽車中，VCU可以提供扭矩矢量，智能準確地調整每個電機的扭矩，以提高操控性和牽引力。
安全、高性能的 MCU 是電機控制的大腦，執行數學密集型、磁場定向控制 (FOC)，以根據電機的轉子位置和三個（或六個）交流電的電流需求有效地控制扭矩當前階段。安全的軟件解析器確定電機的準確轉子位置和速度，智能地解碼由由隨轉子旋轉的旋轉變壓器產生的正弦和余弦信號。
三個交流電流相位由 MCU 模數轉換器 (ADC) 感測和采樣。有了這些信息，MCU 就可以計算出滿足扭矩需求的脈寬調制 (PWM) 控制信號，并將它們發送到隔離的高壓柵極驅動器，后者控制電源開關，將電池的直流電源轉換為交流電源。
六個隔離式高壓柵極驅動器，一個用于高壓側，一個用于低壓側，用于三個交流相中的每一相，提供電源開關的安全控制、監控和保護，以最大限度地提高效率和可靠性。
為安全起見，驅動器提供低壓控制側和高壓開關側的電流隔離，并在車輛關閉或即將發生碰撞時對直流鏈路電容器進行放電，以防止觸電。智能柵極驅動器提供的功能可提高電源效率，并結合監控和保護電路以快速檢測故障并提高安全性。
目前通常使用的電源開關是絕緣柵雙極晶體管 (IGBT)。然而，寬帶隙 (WBG) 功率開關，例如新興的碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN)，可以提供顯著的優勢，包括更高的開關速率，從而帶來更高的效率和功率密度，以及更小的支持組件減小電動機的尺寸。隨著開關頻率從 IGBT 的幾十千赫增加到 WBG的 100 到 200+ kHz，這將需要更高性能的 MCU。
圖 2顯示了一些主要的電動汽車市場趨勢。牽引逆變器的改進可以解決這些問題，以加快消費者接受度并提高滿意度。
2.影響電動汽車市場的六大趨勢。
利用現代硅技術和解決方案，汽車制造商能夠降低電動汽車成本、延長行駛里程、改善駕駛體驗，并通過可擴展的方法提供范圍更廣的電動馬達選項。MCU、柵極驅動器和電源開關的創新可以改善電池成本、功率密度和效率等電動汽車指標，并提供額外的安全功能。
更高性能的處理將能夠支持新的電機控制創新，例如反電動勢 (EMF) 無傳感器控制，以進一步降低成本。牽引逆變器設計還可以擴展以支持新的車輛 E/E 區域架構和數據驅動的軟件定義車輛，從而形成“軟件定義的電機”。隨著時間的推移，它們可以通過無線 (OTA) 更新得到改進。
在這方面很多廠商都推出了新的電動汽車解決方案，以應對市場趨勢和機遇。接下來以恩智浦（NXP）半導體的解決方案為例加以簡要說明，NXP采用了S32K39系列 MCU針對雙牽引逆變器控制進行了優化，具有四個配置為鎖步對的 320 MHz Arm Cortex-M7 內核和兩個分裂鎖定內核，以及兩個電機控制協處理器和一個數字信號處理器（圖 3 ） .
3. NXP 的 S32K39 雙牽引逆變器提供一系列特性和功能。
可以為當今的 IGBT 以及新興的 SiC 和未來的 GaN 功率開關支持兩個 200-kHz 控制環路，以提高功率效率和更高的開關速率。反過來，它們減小了電機的尺寸、重量和成本，從而增加了行駛里程。
或者，可以支持單個六相電機以獲得更高的可靠性和可用性，這對于移動和商業車隊等高占空比電動汽車非常重要。足夠的 Arm 處理也可用于管理新的、數據驅動的用例，它可以擴展到云以滿足數字雙胞胎和機器學習需求，以及 OTA 支持以實現軟件定義的電機。
借助 S32K39 模擬集成和對安全軟件解析器的支持，可以移除外部分立元件和解析器數字轉換器，以降低系統成本。將 MCU 與NXP的 FS26 安全系統基礎芯片 (SBC) 和 GD3162 高壓隔離式柵極驅動器相結合，創建了一個 ASIL D 雙牽引逆變器系統。
S32K39 MCU 可以獨立運行以控制雙牽引逆變器。或者它可以通過時間敏感網絡 (TSN) 以太網用作遠程智能執行器，在與 NXP 結合時擴展到三個或四個電機S32E 實時處理器，除了控制兩個額外的牽引逆變器外，還充當 EV 推進域控制器。
利用 TSN 可實現時間同步 (IEEE 802.1AS-Rev)、安全冗余 (IEEE 802.1CB) 和服務質量（IEEE 802.1Qbu 和 IEEE 802.1Qbv），這是跨車輛和區域進行可靠控制所需的架構。TSN 對于需要可預測延遲和帶寬的實時應用至關重要。
結論
快速發展的電動汽車市場帶來了新的機遇和挑戰。牽引逆變器作為電力傳動系統的核心發揮著關鍵作用，到本世紀末將為大多數新車提供動力。
可以通過 MCU、柵極驅動器和電源開關的創新實現許多改進，這些創新可以直接影響電池壽命和駕駛體驗，更不用說提高消費者接受度了。對新技術的支持是利用汽車行業正在開發的軟件定義的車輛基礎設施，更快地擴展電動汽車并隨著時間的推移改進它們的關鍵。
