在我們之前的博客筆記中，我們已經(jīng)解釋了如何提高電動汽車動力總成的效率來增加其續(xù)航里程（注I），以及與傳統(tǒng)解決方案相比，控制逆變器和電動機(jī)的更好軟件如何提高效率（注II）。

今天，我們將討論在電池和逆變器之間使用動態(tài)DC/DC轉(zhuǎn)換器的興趣，以便在電動傳動系統(tǒng)上獲得額外的能量增益。

直流母線電壓：朝向800V

在電動動力總成中，DC-Link是將電池連接到逆變器的連接。直流母線的電壓是電氣系統(tǒng)的最大電壓基準(zhǔn)。2020年上路和即將上路的大多數(shù)電動汽車車型都是基于400伏的（或者更準(zhǔn)確地說，在350V之間，如Telsa Model 3到奧迪e-Tron的396V）。這些車輛共享相同且唯一的DC-Link電壓，即電池電壓，逆變器的輸入電壓和電動機(jī)的最大相電壓相等。這種單一的直流鏈路簡化了動力總成的電氣架構(gòu)，但對電池、逆變器和電動機(jī)施加了相同的電壓（Figure 1）。

圖 1：EV 中的單級直流母線

400V 直流母線將被輸入的 800V 系統(tǒng)迅速取代。隨著Taycan的推出，保時捷成為第一家提出基于800V的EV的汽車制造商[1]。主要優(yōu)點(diǎn)是大大減少了電池的充電時間，因?yàn)榭梢栽诟痰臅r間內(nèi)傳輸更多的電力。高壓還可以在車內(nèi)使用更小（更輕/更便宜）的電纜。對于傳輸?shù)南嗤β剩枰^少的電流（如P = U*I，其中P是功率，U是電壓，I是電流）。

不幸的是，以低速或低扭矩驅(qū)動具有較高電壓的電動機(jī)的直接后果，會增加電動機(jī)和逆變器中的損耗。讓我們來看看逆變器和電動機(jī)方程：

DC-Link 從 400V 到 800V 翻倍將產(chǎn)生雙倍的功率開關(guān)損耗。同樣的話也適用于逆變器中的傳導(dǎo)和二極管損耗以及電動機(jī)中的銅/繞組和鐵損耗。都有對直流母線電壓敏感的。因此，雖然增加直流母線電壓可以帶來優(yōu)勢，但在低速、低扭矩和/或低功耗使用時效率低下。在這里，較低的電壓將更有利于提高效率。

一些參與者現(xiàn)在正在強(qiáng)烈考慮在電池和逆變器/電動機(jī)之間使用可變或動態(tài)雙向DC-DC降壓-升壓，因?yàn)樗鼛砹嗽S多好處。

使用動態(tài) DC-DC 轉(zhuǎn)換器對逆變器/電動機(jī)進(jìn)行齒輪傳動，以實(shí)現(xiàn)最佳效率

底下的想法是得到蛋糕并吃掉它！使用動態(tài)DC-DC轉(zhuǎn)換器來為逆變器/電動機(jī)傳動可提高效率，在不支付相應(yīng)成本的情況下獲得更高電壓的好處。它有利地消除了對昂貴的多速變速器的需求，同時達(dá)到了電動動力總成的最佳效率和噪聲振動粗糙度（NVH）。

在這種“兩級”架構(gòu)中，可以在各種電機(jī)負(fù)載條件下調(diào)整和控制直流母線電壓，以實(shí)現(xiàn)最佳效率。例如，2V 電池系統(tǒng)將保持快速充電的優(yōu)勢，并且還將受益于驅(qū)動/再生電源使用效率的提高，逆變器和負(fù)載較低的電動機(jī)端接電壓較低（低至 800V）（圖 50）。

圖 2：具有可變電壓的動態(tài) DC-DC 可在需要時提高動力總成效率

電動動力總成中的可變電壓已在多項(xiàng)研究中進(jìn)行了研究[2] [3]，證明了與恒定電壓相比效率的提高，并提出了幾種方法來計(jì)算不同工作條件（扭矩/速度）所需的電壓。實(shí)驗(yàn)結(jié)果[3]，比較電池和逆變器之間直接直流母線的解決方案和包括DC-DC的解決方案，表明效率提高是：

在速度低于 50RPM 和低扭矩條件下，逆變器從 78% 到 500%

在高負(fù)載扭矩和超過 88RPM 的高速下從 3.97% 到 8.1500%

速度大于 81 RPM 時的感應(yīng)電機(jī)效率從 6.88% 到 7.1750%

放寬設(shè)計(jì)限制，降低采用動態(tài)DC-DC轉(zhuǎn)換器的電驅(qū)動系統(tǒng)的成本

集成這種DC-DC轉(zhuǎn)換器的另一個重要好處是放寬了對電動機(jī)設(shè)計(jì)的限制。

電池電壓根據(jù)其充電狀態(tài) （SoC） 而變化已不是什么秘密。在 EV 或 HEV 中，出于電壓和可靠性原因，電池保持在 20% 到 80% 的 SoC 之間。但即使從80%到20%，電壓也會緩慢而肯定地降低（圖3）。

圖 3：電動汽車電池中的電壓與 SoC 的關(guān)系

目前，電動機(jī)是為降低充電狀態(tài)而產(chǎn)生的最小電池電壓而設(shè)計(jì)的。電動機(jī)上的繞組匝數(shù)按比例縮放以補(bǔ)償這一點(diǎn)。但是，在較低的直流電壓下，電動機(jī)的磁場弱化能力受到嚴(yán)重限制。即使調(diào)整相電流大小也不能使機(jī)器能夠滿足高速運(yùn)行和“最大恒功率曲線”期間對扭矩和功率的要求。

在低電池電量 SoC 期間使用 DC-DC 轉(zhuǎn)換器提升直流電壓，可將直流母線電壓保持在額定值，以便始終滿足扭矩/速度工作范圍，甚至可以延長。電機(jī)設(shè)計(jì)可以通過減少繞組匝數(shù)并因此降低成本來簡化。

設(shè)計(jì)高效的動態(tài)DC-DC轉(zhuǎn)換器

在整個系統(tǒng)范圍內(nèi)，設(shè)計(jì)兩級（動態(tài)DC-DC轉(zhuǎn)換器和逆變器）直流母線意味著兩個控制器需要協(xié)同工作，從而提高了它們的實(shí)時性和安全性要求。DC-DC 電壓和電流控制回路應(yīng)與逆變器的轉(zhuǎn)矩命令和調(diào)制比同步，以確保 DC-DC、逆變器和電動機(jī)的最佳效率，并限制 NVH（圖 4）。

圖 4：逆變器和 DC-DC 轉(zhuǎn)換器控制都取決于實(shí)時扭矩需求

由于動態(tài) DC-DC 轉(zhuǎn)換器是運(yùn)動潮流的主動部分，因此其電壓輸出響應(yīng)時間非常關(guān)鍵（圖 5）。較短的電壓響應(yīng)時間可確保逆變器/電動機(jī)控制的良好質(zhì)量，并滿足電驅(qū)動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)時間。10-20 μs的響應(yīng)時間范圍需要一個工作在500KHz至1MHz之間的DC-DC控制環(huán)路。

圖 5：DC-DC 根據(jù)電動機(jī)速度和扭矩需求輸出適當(dāng)?shù)碾妷?/p>

為了避免動態(tài)DC-DC損耗抵消可變電壓電動機(jī)的效率增益的適得其反的效果，有必要設(shè)計(jì)一種高效、動態(tài)和雙向的DC-DC轉(zhuǎn)換器。交錯式多相降壓-升壓DC-DC是最合適的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)人員必須以前所未有的性能和效率控制這種動態(tài)DC-DC轉(zhuǎn)換器，并通過多相脫落來管理負(fù)載變化，從而根據(jù)當(dāng)前負(fù)載最大限度地提高能量產(chǎn)出。1 相用于較低負(fù)載，然后 2 相、3 相和高達(dá) X 相用于較高負(fù)載。在瞬態(tài)狀態(tài)下避免了效率下降，并消除了電流紋波。每相應(yīng)使用獨(dú)立的控制回路進(jìn)行控制（圖6）。

圖 6：多相脫落和獨(dú)立控制環(huán)路可在更寬的工作范圍內(nèi)提高 DC-DC 的效率

在芯力移動，我們的OLEA FPCU是唯一能夠控制如此苛刻的電動動力總成的控制解決方案。WTLP測試周期的仿真表明，與在現(xiàn)有多核微控制器上運(yùn)行的傳統(tǒng)控制系統(tǒng)相比，OLEA APP INVERTER HE 與 OLEA APP DCDC HE 結(jié)合使用，可將逆變器/電動機(jī)中的電動動力總成效率提高 20%，使用動態(tài) DC-DC 轉(zhuǎn)換器時效率提高 12%。

審核編輯：郭婷