模塊化多電平逆變器：將直流電轉(zhuǎn)換為交流電

保時捷Engineering 開發(fā)了用于電動汽車的“交流電池”概念，它將眾多組件組合在一個部件中。它由標準化的控制單元概念控制，具有特別強大和實時能力的計算平臺。該系統(tǒng)是作為可行性研究的一部分開發(fā)的，在測試臺上進行了測試，并在車輛中進行了演示。

電動汽車的驅(qū)動系統(tǒng)通常由單獨的組件組成：帶有電池管理系統(tǒng)的高壓電池、用于控制電動機的電力電子設(shè)備和用于使用交流電源充電的車載充電器。電力電子設(shè)備使用脈沖逆變器將高壓電池的直流電壓轉(zhuǎn)換為牽引電機的正弦三相交流電壓。

這種結(jié)構(gòu)已經(jīng)證明了它在當前車輛中的有用性，但將來可能會進一步改進?！捌囆袠I(yè)的趨勢是高度集成的組件，”保時捷工程公司專業(yè)項目經(jīng)理 Thomas Wenka 說?！斑@在外殼尺寸、重量和成本降低、可靠性和效率方面開辟了新的可能性?！弊鳛榭尚行匝芯康囊徊糠郑?a class="contentlabel" href="http://2s4d.com/news/listbylabel/label/保時捷">保時捷工程公司的開發(fā)團隊利用組件的高集成度開發(fā)了交流電池系統(tǒng)。它將電池管理系統(tǒng)、脈沖逆變器、低壓 DCDC 和車載充電器等通常獨立的功能集成到一個組件中。

在這項研究中，保時捷工程集團的開發(fā)人員將電驅(qū)動的高壓電池分為 18 個單獨的電池模塊，分布在三個階段。它們可以通過功率半導(dǎo)體開關(guān)單獨控制。各個電池模塊作為分布式實時系統(tǒng)靈活互連到模塊化多電平串聯(lián)并聯(lián)轉(zhuǎn)換器 （MMSPC） 中，可實現(xiàn)電壓曲線的動態(tài)建模，從而可以直接從電池模塊的直流電壓產(chǎn)生電機的正弦三相交流電壓。“使用 MMSPC，既可以在駕駛時直接控制電動驅(qū)動電機，也可以直接連接到交流電網(wǎng)為電池充電，”保時捷工程專業(yè)項目經(jīng)理 Daniel Simon 解釋道。

眾多技術(shù)優(yōu)勢

其他優(yōu)點包括更容易擴展到各種傳動系統(tǒng)變體，以及在維修期間或發(fā)生事故時更安全地處理載流部件?！叭缓?MMSPC 關(guān)閉，系統(tǒng)有效地恢復(fù)到其各個模塊，這意味著仍然只能測量模塊電壓，”Wenka 說。此外，如果單個電池單元可能存在缺陷，則由于智能控制系統(tǒng)會繞過受影響的電池模塊，因此故障保護功能會增加。這使得在降低功率的情況下實現(xiàn)到最近的車間的所謂跛行回家功能成為可能。使用傳統(tǒng)電池時，這會導(dǎo)致車輛故障。交流電池的概念還為通過脈沖充電實現(xiàn)快速充電能力提供了技術(shù)潛力。

實施交流電池概念的一個主要挑戰(zhàn)是開發(fā)一個強大而快速的中央控制單元，該單元可以精確控制各個電池模塊。Simon 說：“在正弦波建模中，電池模塊的動態(tài)重新配置是通過底層分布式系統(tǒng)實現(xiàn)的，該系統(tǒng)必須滿足所有情況下的實時要求?！爱吘?，延遲切換模塊會導(dǎo)致電池組和相關(guān)電力電子設(shè)備出現(xiàn)缺陷。”

實時計算平臺

在推出交流電池概念的同時，保時捷工程集團的電子專家還開發(fā)了一種控制單元，該控制單元具有特別強大的實時、統(tǒng)一和高度集成的計算平臺。交流電池的各個功能，例如電機和電池管理以及充電功能，都在其上并行運行?？刂茊卧脚_由兩個元件組成，一個是項目特定的基板，另一個是獨立于項目的系統(tǒng)模塊形式的計算單元，具有與基板的統(tǒng)一接口。

“處理單元代表一個異構(gòu)多處理器平臺，并作為單個片上系統(tǒng)運行。它結(jié)合了現(xiàn)場可編程門陣列 （FPGA）（一種帶有可編程硬件的集成電路），用于對系統(tǒng)的實時能力進行數(shù)據(jù)控制和監(jiān)控，并結(jié)合了一個強大的多核處理器，用于在單個組件中處理大量數(shù)據(jù)，“Simon 解釋道。

“FPGA 可以接管復(fù)雜的計算，以減輕處理器的負擔并補充缺失的外設(shè)，與通常的純微控制器解決方案相比，這在可擴展性和靈活性方面具有顯著優(yōu)勢。通過選擇片上系統(tǒng)系列中的衍生產(chǎn)品，性能可以從基本的 ECU 要求（如 I/O 驅(qū)動、通信網(wǎng)關(guān)或電力電子設(shè)備）擴展到具有額外 GPU 和視頻編解碼器要求的復(fù)雜 ADAS 系統(tǒng)。

該方法的一個特點是控制單元功能的以軟件為中心實現(xiàn)?！耙粋€部件在處理器上運行，該處理器使用 FPGA 進行快速控制和最佳開關(guān)策略，并最終同步控制所有模塊。這可以通過軟件實現(xiàn)動態(tài)重配置。然而，要做到這一點，模塊上的電力電子設(shè)備必須實施這種開關(guān)策略，“Simon 說?！巴ㄟ^使用 CPU 和 FPGA 的片上系統(tǒng)方法，我們實現(xiàn)了普通微控制器無法實現(xiàn)的硬實時功能?！?/p>

保時捷工程集團與新的控制單元平臺一起，在各種原型中實施了交流電池的概念，并在測試臺上成功進行了測試。該系統(tǒng)還被集成到測試車輛中，以演示其基本功能。“開發(fā)新的控制單元平臺對于交流電池來說是絕對必要的。然而，由于它可以靈活調(diào)整，它已成為一個將繼續(xù)的獨立項目，“Wenka 說。對于新項目，系統(tǒng)級模塊和一些相關(guān)軟件可以重復(fù)使用，并且基板的功能可以輕松升級，以包括所需的硬件功能和接口。

因此，控制單元可以靈活地適應(yīng)新的要求，因此適用于所有需要高計算能力和實時能力的應(yīng)用，并且在正在進行的項目中，要求仍然可能發(fā)生變化。Simon 解釋說：“這使得控制單元系統(tǒng)級模塊上的片上系統(tǒng)獨立于項目的組合也可以很好地處理其他復(fù)雜任務(wù)，這使其成為原型開發(fā)功能原型平臺的不錯選擇。

與傳統(tǒng)原型 ECU 相比，其優(yōu)勢包括更快的功能開發(fā)，僅舉一個例子：硬件提供了高計算儲備，基礎(chǔ)軟件和現(xiàn)有軟件塊可以用作控制單元開發(fā)的非常好的起點?！澳壳坝媱澰诒r捷工程公司最初使用新的控制單元平臺進行原型開發(fā)，”Wenka 報道?！叭欢?，原則上，這個概念也適用于稍作修改的系列應(yīng)用?！?/p>