淺談新能源汽車的供電系統和功率驅動

發布時間：2022-03-18作者來源：薩科微瀏覽：1414

伴隨著人類社會的發展，對于能源的需求也越來越多，基于傳統方式的能源利用，在給人類帶來更加便利的生活方式之外，也帶來了環境污染和氣候變暖等一系列的負面影響。這促使人們將目光從地下轉向天空，尋求利用太陽能取代化石能源，實現能源的可再生循環，最終實現碳中和的[敏感詞]目標。

汽車動力系統的電氣化和電動化，是交通領域實現碳中和的必由之路，作為全球[敏感詞]的汽車半導體科技公司，英飛凌對于“零排放一定會實現” 這一觀點深信不疑，并致力于推動這一目標的早日實現。

這里的“電氣化”是指各種模式的傳統內燃機與電動機共存的混和動力系統，“電動化”則是指完全擺脫了傳統內燃機的電驅動動力系統。

在汽車“電氣化”和“電動化”的進程中，各個國家和地區、以及各個汽車制造商所選擇的路徑既大同小異，又殊途同歸。這里面既包含了像48V這樣的微混系統，也包含了全混，插電混動系統；既包含了以鋰離子電池作為能源載體的純電動汽車，也包含了使用氫作為能源的燃料電池汽車。

眾所周知，一個系統從功能上講我們可以把它抽象為：感知，計算，執行，通信和供電五大部分。

本文將針對這五大部分的供電和執行2個話題提出一些個人觀點和思考。

一、整車供電系統中的供電電壓軌道

目前我們在乘用車中能夠看到的是12V、48V和高壓（400V/800V）三種電壓等級的供電系統。

在傳統內燃機乘用車中，一直以來都是使用12V電源，與之相對應的半導體產品也占據了很大一部分市場。根據一些國際權威機構的預測信息，單純由內燃機驅動的汽車會在2030年左右退出市場。但是，考慮到12V系統成熟的零部件供應鏈規模優勢以及適合該系統應用的半導體產品相對較低的成本優勢，12V電源軌道應該長期存在。屆時，DC-DC將徹底取代傳統12V交流發電機，成為12V系統中電池充電和負載供電的電源，由此帶來12V電源系統的一些特性的變化，比如拋負載等，作為與之對應的電源標準可能會隨之做出相應的調整。
48V作為一個安全電壓等級，由于較低的絕緣等級需求等因素，使其在混合動力系統上具有一定的性價比優勢。隨著48V系統中供應鏈的日臻完善，規?；a帶來成本的降低，同時在不同高壓系統的整車中某些零部件標準化的實現，幫助供應商和整車廠降低了零部件管理成本。這樣不僅在微混系統的車輛中，在具有高壓系統的新能源車中也可能會導入48V電源軌道，使一些中功率（比如1kW到10kW之間的）負載運行在48V電源系統中，由此帶來高壓（400V/800V）轉換為48V的DC-DC變換器應用的閃亮登場。
由于同一車上三軌（HV，48V，12V）共存，基于整車電子電器架構、功能安全以及成本的考慮，供電網絡拓撲到底是使用集中式的電壓轉換還是分布式的電壓轉換，會根據整車廠的設計而定，DC-DC的功率等級和功能安全等級也都會有不同的需求。

二、有關“執行”

由上述提到的電源電壓三軌共存，帶來對于不同電壓軌道下的執行器件的需求不同，也就是對于半導體功率器件的需求不同。不同的電壓軌道，對于半導體功率器件提出了不同耐壓等級的需求；不同的應用，又對功率器件提出了不同驅動電流和不同開關頻率的需求。

48V電壓軌道集中了從1kW到10kW的功率等級的應用。其中又以DC-DC和電機逆變器居多，從耐壓和功率等級考慮，這里是硅基MOSFET和GaN的主戰場。不過就目前來看，GaN在汽車電子中的應用還有待一些時日。

下圖給出硅，碳化硅和氮化鎵功率器件各自對應的一些應用領域，供參考。

而關于高壓軌道下使用的功率器件，當下最熱門的話題莫過于碳化硅（SiC）了。碳化硅功率器件以其低開關損耗、高耐壓、高工作溫度和高散熱能力等優勢，使系統可以在更高的電壓和更高的頻率下工作，從而減小被動元器件的體積、降低系統功耗損失、并提升系統的功率密度。但是另一方面，目前碳化硅材料的器件在成本上和硅基器件相比存在一定的劣勢。綜合的結果，我們認為在將來相當一段時間內，硅和碳化硅功率器件將會并存，在各自適合的領域發揮各自的長處。

根據英飛凌的分析和測試信息，使用碳化硅器件的動力系統與相同功率水平使用硅器件的動力系統相比，使用碳化硅器件的動力系統可以降低7.6%左右的功率損耗，這其中包括了電機驅動時的功率損耗降低和電機能量回收時的功率損耗降低兩大部分。

下圖是電機在不同轉速和扭矩下，使用硅基IGBT和碳化硅MOSFET時的功率器件功耗差別的一組實驗數據對比?？梢钥吹?，在電機轉速2667rpm，輸出扭矩為553.3Nm時，硅基IGBT的功耗比碳化硅MOSFET的功耗小13%左右。

由此，我們大致可以得出硅基IGBT和碳化硅MSOFET在驅動逆變器中的應用場景，如下圖所示：

采用硅基IBGT和碳化硅MOSFET共用的“Hybrid”方案，可以充分發揮其各自的優勢，取長補短。使用硅基IGBT驅動的電機，可發揮大電流下功率損耗低于MOSFET的優勢，主要提供大扭矩輸出，體現整車加速性能；而使用碳化硅MOSFET驅動的電機更多地工作于巡航工況，提升能源利用效率。從而達到兩頭兼顧，魚和熊掌兼得。

這可以使車輛在保持相同續航里程的同時，降低電池容量，從而降低電池成本，對于導入碳化硅功率器件所帶來的成本增加做一些補償。同時，電池容量的減少和逆變器功率密度的提升，也可減輕車輛的重量，并提高整車能源的利用效率。