未来电动汽车的电力驱动技术

动机：为什么使用电动汽车

交通工具纯电动化的优势：

1、提高效率:降低能源消耗

2、取代石油成为主要能源

3、减少对环境的影响

4、降低成本

来自美国电子工业联合会数据：交通运输能量消耗和二氧化碳排放所占比例

1、交通运输占美国能源消耗总量的28%

2、交通运输占二氧化碳排放量的33%

3、石油占美国交通能源消耗的93%

图1汽车越来越多

图2汽车动力学

图3驾驶循环

图4平均功率和能量

图5燃气发动机vs电力驱动

图6传统汽车与电动汽车对比

图7存储的能量和功率密度

图8传统汽车与电动汽车对比

图9二氧化碳排放和取代石油的研究

图10政策的影响

图11电动汽车的挑战

电力电子技术

1、交通电气化是一项使未来安全、可靠、环保成为可能的技术。

2、交通电气化面临的问题

    A、电池的能量储存和充电时间不足以满足消费者的期望

    B、电力电子产品成本高：混合动力汽车总成本的33%来自电力电子产品

    C、重量和体积小型化；热管理和整体重量的增加，安全问题的考虑

    D、功率的增大：材料(半导体、电感、电容)材料性价比不高

3、电力电子产品的智能化、综合化设计是电动汽车持续发展的必然要求

背景：

电力电子的作用

图12电力电子在未来电动汽车上的应用

图13电动汽车传动系统

图14以奥迪Q5为例的冷却系统

图15电力电子的设计

图16动力系统组件

功率模块

图17功率模块基底

功率模块基底的描述：双面覆铜陶瓷基板（DBC），一面与晶圆进行焊接，另一面与铝基散热器进行焊接。

功能:导电(覆铜面)、绝缘(陶瓷板)

图18晶圆

晶圆描述：功率模块的核心，以SI为材料（未来是SIC与GAN），晶圆焊接在DBC上。

功能:电气连接和机械连接

图19电气连接

描述：金属丝或带状键；通常是铝或金。

功能:电气连接

图20基板

描述：典型的铜或金属基复合材料(如AlSiC)。

功能:机械支撑和散热。

图21封装

描述：课题内部内部填充硅凝胶。

功能:电气绝缘，机械保护(阻尼机械冲击)，散热。

图22壳体与端子

描述：模块被一个塑料壳体封装起来；邦定线讲功率模块IGBT晶圆、二极管晶圆、热敏电阻等与相应的引出端子进行电气连接。

功能:机械保护和电气连接。

图23冷却系统

描述：一般采用铝制冷却系统，对散热系统要求高的采用铜管进行冷却，车辆上一般采用水和50%乙二醇。

图24功率模块

描述：封装好的的功率模块安装在散热器上，模块下方有散热介质材料(TIM)一般是导热硅脂和相变材料，以增加导热系数；从结到环境的热阻中，约40%是由于TIM产生的。

图25门极驱动板

描述：门级驱动板将DSP发出的PWM信号转换成栅极信号，用于控制功率模块。栅极驱动板需要尽可能靠近功率模块，以减少互连的长度，减小寄生参数。

图26传感器

描述：电流传感器通过闭环控制来控制电机的扭矩，旋转变压器通过闭环控制，控制电机的转速。

图27母排

描述：母排一般采用铜排，用于逆变器各功率元件之间的电气连接；对于大多数逆变器，母线必须设计成寄生电感最小，一般采用叠层母排。

图28控制板

描述：控制板通常比图中显示的要拥挤得多，它们包括了一种微处理器，通常是数字信号处理器(DSP)，控制电源、驱动电源、模拟和数字接口单元、门级驱动等。

图29DC-LINK

描述：电机控制器（逆变器）需要DC-LINK电容。电容器通常占逆变器体积的三分之一，重量也差不多，他们的成本也是仅次于功率模块；在电机控制器中，它们过滤直流回路中的纹波电流并保持直流回路中电压的稳定；

图30模型与实物

图31电力电子的驱动

图32研究的领域

图33功能的整合

图34功能的整合

图35功能整合

例一：双向DCDC变换器

图36动力系统DCDC

图37优化后动力系统DCDC

图38优化后动力系统DCDC

图39最佳母线电压

图40集成DCDC与OBC

图41降低冷却

例二：电池管理系统

图42电池管理系统

电池管理系统的作用：

是对电池进行管理的系统，通常具有量测电池电压的功能，防止或避免电池过放电、过充电、过温等异常状况出现。随着技术发展，已经逐渐增加许多功能，包括通讯、SOC估算、异常报警、异常保护、均衡等。乘用车80~100S，商用车：100~200。

图43充电时单电池平衡

描述：电芯特性的微小差异在多个充放电周期中由于串联而加剧

图44放电时单电池平衡

描述：放电受到图中所示第一个电池的限制，以达到最小允许荷电状态(SOC)。

图45放电不平衡状态

描述：

放电受到图中第一个电池的限制，以达到最小允许荷电状态(SOC)；有效包装容量限制为最低电池容量(以安培小时为单位)。

图46充电不平衡状态

描述：当再次充电时，如图中所示当第一个电池达到最大容量时停止充电，导致部分电池充电不完全，降低总包装电池容量。

图47被动平衡或者损耗平衡

图48主动平衡

功能整合

图49功能整合

描述：结合必要的DCDC转换器与平衡转换器设计；有效(差动)效率100%

效率提升成本几乎为零；

未来的发展：

电子将带我们走向何方

车联网交互系统

图50VXG

描述：用于电网储能的电动汽车电池；缓解用电压力，进行高低峰的电力调节；进行负载转移和功率补偿。

无线充电

图51无线充电

无线充电的机遇：

1、为客户提供方便

  插电式和纯电动汽车充电方便、安全，不需要电缆和插头。有了无线充电系统，充电过程可以完全自主，节省时间和人力成本。

2、使用动态道路充电，减小车载ESS尺寸

图52无线充电场景

图53无线充电应用

3D打印

图54 3D打印汽车

图55ORNL 3D打印电动汽车

图563D打印水冷80KW电机控制器

总结：

1、电力电子技术在电动汽车的未来应用中起着至关重要的作用

2、电力电子工程师必须全面考虑系统内的性能，而不仅仅是孤立地考虑效率

3、未来的技术，包括无线电力传输和3D打印可以彻底改变这个行业

参考文献：Electric Drive Technologies for Future Electric Vehicles;Professor Daniel CostinettThe University of Tennessee