混合動(dòng)力汽車的功率器件和管理方面需面臨哪些挑戰(zhàn)？

混合動(dòng)力汽車(HEV)市場(chǎng)的增長(zhǎng)在很大程度上取決于每加侖/英里這一能耗指標(biāo)及追加投入的每個(gè)硬幣所帶來(lái)的好處以及混合系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)的可靠性。消費(fèi)者將混合汽車與標(biāo)準(zhǔn)汽車進(jìn)行比較，并期待在整體更低擁有成本的前提下起碼具有同樣的性能和可靠性?；旌掀囋黾拥某杀颈仨氃趽碛衅陂g通過節(jié)省燃料和維護(hù)成本得到回報(bào)。

用在HEV中逆變器和dc-dc轉(zhuǎn)換器中的功率模塊和其內(nèi)的功率器件是主要的性能、可靠性和成本驅(qū)動(dòng)器。效率、功率密度和特定功率是一些關(guān)鍵性能指標(biāo)。最重要的可靠性規(guī)范是熱循環(huán)和功率循環(huán)。

混合動(dòng)力汽車的分類

在混合汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，需將一或幾個(gè)電機(jī)與燃燒引擎一起使用?？筛鶕?jù)混合程度和系統(tǒng)架構(gòu)對(duì)混合汽車進(jìn)行分類。可被分為微(micro)級(jí)、輕度(mild)級(jí)和完全(full)級(jí)的混合程度決定電機(jī)執(zhí)行的功能。該分類還決定所需的功率級(jí)及優(yōu)選的系統(tǒng)架構(gòu)。

串行、并行和功率分配是最常用的架構(gòu)。對(duì)一款特定車輛來(lái)說，混合程度和系統(tǒng)架構(gòu)的選擇主要取決于所需的功能、車輛大小、行駛年限及設(shè)定的燃油經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。每個(gè)混合系統(tǒng)的功率電子內(nèi)容各不一樣，它取決于功能、功率要求和架構(gòu)。

當(dāng)僅需要啟動(dòng)-停止功能時(shí)(例如旅行車場(chǎng)合)，用一個(gè)集成起動(dòng)器/交流發(fā)電機(jī)系統(tǒng)代替了起動(dòng)器和交流發(fā)電機(jī)的并行微混合的方法就很通用。在這些系統(tǒng)中，電壓和功率等級(jí)相對(duì)較低，其油耗的改進(jìn)在10%左右。

除啟動(dòng)-停止功能外，當(dāng)需要時(shí)，一個(gè)輕度混合系統(tǒng)可提升/輔助引擎功率，另外，它還從再生制動(dòng)中獲取能量，從而可將油耗的改進(jìn)提升到15%左右。增加的功能需要更高的能耗，所以要采用高壓器件(80V 到600V)。

若以完全電子模式運(yùn)行車輛，則需要一個(gè)具有高壓和大電流能力的完全混合系統(tǒng)。根據(jù)應(yīng)用，完全混合系統(tǒng)可具有串行、并行和功率分配架構(gòu)，它可將油耗降低35%。

HEV系統(tǒng)中功率電子面臨的挑戰(zhàn)

HEV系統(tǒng)中的功率電子需高效地將能量從dc轉(zhuǎn)至ac(電池到電機(jī))、從ac轉(zhuǎn)至dc(發(fā)電機(jī)到電池)及從dc 到dc(對(duì)升壓轉(zhuǎn)換器來(lái)說，是從低的電池電壓到高的逆變器輸入電壓;對(duì)降壓轉(zhuǎn)換器來(lái)說是從高壓電池到低壓電池)。因在該能量轉(zhuǎn)換中，要對(duì)高壓和大電流進(jìn)行開關(guān)，所以需采用具有最低損耗的功率器件技術(shù)。對(duì)較低的系統(tǒng)電壓和電流來(lái)說，MOSFET技術(shù)比IGBT有更好的功率密度，它們用在微混合應(yīng)用中。對(duì)輕度混合應(yīng)用來(lái)說，當(dāng)系統(tǒng)電壓高于120V時(shí)，IGBT是首選器件。對(duì)全混合應(yīng)用來(lái)說，600V到1200V的IGBT是使用的唯一器件。

一般來(lái)說，傳統(tǒng)的NPT IGBT在導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗特性間有一個(gè)平衡。若導(dǎo)通損耗降低則開關(guān)損耗增加。英飛凌的溝道FieldStop IGBT及配套的EmCon二極管技術(shù)與傳統(tǒng)器件相比，在增加芯片電流密度的同時(shí)減小了導(dǎo)通和開關(guān)損耗。通過采用一個(gè)場(chǎng)截止(fieldstop)層來(lái)得到更低損耗，該層減小了器件厚度并降低了通過器件的壓降。圖1顯示了平面和溝道器件所用不同IGBT技術(shù)的截面層。另外，F(xiàn)ield-Stop器件可連續(xù)工作在150 °C(最高175 °C)的結(jié)溫度，該特性強(qiáng)化了芯片電流密度并使采用更高的冷卻溫度變得更容易。

嵌放在一個(gè)便利封裝內(nèi)的功率模塊可承受極端溫度環(huán)境、震動(dòng)及其它惡劣環(huán)境條件。除器件工作引起的溫度變化外，環(huán)境溫度變異及車內(nèi)產(chǎn)生的振動(dòng)帶來(lái)可靠性挑戰(zhàn)。在混合汽車應(yīng)用中功率模塊預(yù)期的使用壽命是15年/15萬(wàn)英里，所以在設(shè)計(jì)該模塊時(shí)，要使其能具有期望的可靠性。例如，在某些情況，更高的器件性能會(huì)對(duì)模塊的穩(wěn)定性產(chǎn)生不良影響。從器件技術(shù)的角度講，某些功率器件可工作于高的結(jié)溫度，但該更高的結(jié)溫度會(huì)在線綁定接口產(chǎn)生更高溫度，從而降低模塊功率周期的穩(wěn)定性。因此，需建立一整套全面的器件和封裝技術(shù)規(guī)范來(lái)優(yōu)化性能、可靠性和成本。

混合車用功率半導(dǎo)體模塊

應(yīng)用需要功率模塊具有高電流密度，這也就意味著每單位電流容量具有更小的體積。器件越小，包納其于其內(nèi)的底層也就越小，結(jié)果就得到一個(gè)模塊雖小但功率密度更高的模塊。圖2顯示的是英飛凌預(yù)期的1200V器件體積的減小情況。顯然，與NPT器件相比，F(xiàn)ieldStop器件顯著縮小了體積。

新能源汽車研發(fā)中面臨的主要挑戰(zhàn)

然而由于與傳統(tǒng)汽車在結(jié)構(gòu)和工作原理上有巨大區(qū)別，在新能源汽車的設(shè)計(jì)研發(fā)環(huán)節(jié)，汽車工程師面臨著諸多挑戰(zhàn)，關(guān)鍵部件包括動(dòng)力電池組、牽引電動(dòng)機(jī)及發(fā)電機(jī)、功率電子器件等，除了這些關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)中涉及到復(fù)雜的物理問題之外，還存在系統(tǒng)集成時(shí)電磁部件之間的電磁兼容/電磁干擾等問題。

汽車NVH性能、輕量化、安全性研究也是新能源汽車研發(fā)時(shí)必須考慮的因素。

1.電池組

在混合動(dòng)力汽車和純電動(dòng)汽車中，電池組是車輛最主要的動(dòng)力來(lái)源，同時(shí)也為眾多的電動(dòng)輔助系統(tǒng)提供能量。因此電池組的可靠性、耐久性、安全性、工作效率等指標(biāo)將直接關(guān)系到車輛動(dòng)力性能。在設(shè)計(jì)電池組的時(shí)候，在保證高水平容量和輸出功率的基礎(chǔ)上，工程師還必須考慮熱、結(jié)構(gòu)、電磁因素對(duì)電池組及電池單體的影響。

電池組在充、放電的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生熱，長(zhǎng)時(shí)間工作在比較惡劣的熱環(huán)境中，將會(huì)縮短電池使用壽命、降低電池性能。電池組內(nèi)部單體之間溫度分布不均勻?qū)е聹夭钸^大，就會(huì)形成有害的電流回路也會(huì)縮短電池的壽命。要管理電池組發(fā)熱問題，就需要根據(jù)電池組內(nèi)部溫度場(chǎng)分布來(lái)設(shè)計(jì)一個(gè)風(fēng)冷或水冷的冷卻系統(tǒng)，而設(shè)計(jì)高效的冷卻系統(tǒng)則涉及到傳熱學(xué)和流體動(dòng)力學(xué)等知識(shí)。

電池組的安裝位置、結(jié)構(gòu)分布會(huì)影響車內(nèi)空間大小，在一系列駕駛條件下，電池組不同的安裝位置還會(huì)影響其所受各種應(yīng)力，這時(shí)候需要考慮是否會(huì)引發(fā)安全問題，一旦電池結(jié)構(gòu)被破壞可能釋放出有毒酸液對(duì)乘客造成危險(xiǎn)。在外加熱、過充、過放、針刺、重壓及外部短路等多種工況變化情況下，電池組能否安全保證工作性能也是需要研究的。

2.電動(dòng)機(jī)

電動(dòng)機(jī)是新能源汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中必不可少的部分，它決定了將多少蓄電池的電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能來(lái)驅(qū)動(dòng)車輛運(yùn)行，消費(fèi)者都期望汽車具有高燃油效率，它在很大程度上影響了消費(fèi)者的購(gòu)買決策。而電動(dòng)機(jī)工作效率與其電磁特性密切相關(guān)，因此研究電磁問題、設(shè)計(jì)出高效率的電動(dòng)機(jī)是新能源汽車電氣傳動(dòng)系統(tǒng)研發(fā)最重要的挑戰(zhàn)之一。

此外，混合動(dòng)力和純電動(dòng)汽車所用的牽引電動(dòng)機(jī)可能面臨非常嚴(yán)苛的工作環(huán)境，電動(dòng)機(jī)持續(xù)工作在極端溫度條件、劇烈振動(dòng)、大工作循環(huán)及崎嶇路面條件下。在混合動(dòng)力汽車中，電動(dòng)機(jī)還受發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的高溫影響。這些因素要求電動(dòng)機(jī)必須具有很高的可靠性和安全性。

3.電力電子器件

在新能源汽車的電氣傳動(dòng)系統(tǒng)中，電力電子器件精確地控制著蓄電池與牽引電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)之間的能量傳輸，并根據(jù)路況和駕駛員指令做出邏輯判斷來(lái)調(diào)節(jié)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)。電力電子器件根據(jù)傳感器監(jiān)測(cè)到的位置、速度、溫度等反饋信號(hào)，嚴(yán)格控制著蓄電池提供給牽引電動(dòng)機(jī)的電能，為了保證汽車在各種駕駛條件下都能以最高效率工作，電力電子系統(tǒng)必須具備良好的性能。

與電池組一樣，熱管理也是新能源汽車電力電子設(shè)計(jì)所關(guān)注的一個(gè)主要問題。由電氣傳動(dòng)系統(tǒng)傳遞到車輪和再生制動(dòng)充入電池的所有能量都需要通過電力電子器件完成，因此即使電子器件極微小的功率損失也能產(chǎn)生大量的熱。

不同工作環(huán)境下，電力電子系統(tǒng)中產(chǎn)生的熱量都需要嚴(yán)格控制并做好散熱，避免電子元器件及其周邊部件的熱損壞。這需要對(duì)電力電子器件中的電磁損耗做精確計(jì)算并研究出相關(guān)的散熱方式。為了確保最有效的冷卻，還要根據(jù)電力電子系統(tǒng)具體情況進(jìn)行散熱路徑設(shè)計(jì)。

除了熱管理，新能源汽車中電力電子控制邏輯也是需要嚴(yán)格設(shè)計(jì)的，在不同的驅(qū)動(dòng)工況下對(duì)電氣傳動(dòng)動(dòng)力集成部件及系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。

4.電磁兼容

電磁兼容性是指設(shè)備或者系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中能正常工作，而且不對(duì)該環(huán)境中其它任何事物構(gòu)成不能承受的電磁騷擾。新能源汽車中應(yīng)用了高壓和大電流的大功率電子變換裝置和驅(qū)動(dòng)電機(jī)，而且車上的電子電氣設(shè)備繁多，設(shè)備的電磁敏感度也各不相同，整個(gè)車輛處于很復(fù)雜的電磁環(huán)境中。

因此在新能源汽車中，各種電氣元件之間的電磁兼容性就成為一個(gè)重要的問題，如果不解決這些問題，電磁干擾就會(huì)破壞信號(hào)傳遞和檢測(cè)并影響電動(dòng)機(jī)正常工作，甚至引發(fā)安全問題。

為達(dá)到電磁兼容性的設(shè)計(jì)要求，要分析各種電磁干擾源，確定干擾路徑和耦合方式，然后根據(jù)具體情況采取有效的抑制干擾、消除干擾的措施。必須通過電磁學(xué)分析來(lái)仔細(xì)研究電氣元件之間的電磁干擾影響，在電氣傳動(dòng)系統(tǒng)邏輯控制中也要考慮。這就需要全面地研究電動(dòng)機(jī)及其周圍電磁部件內(nèi)和周邊的電磁場(chǎng)，這些部件在工作時(shí)又是相互連通、耦合的，這對(duì)電磁兼容性分析、解決電磁干擾問題提出了更高的要求。

5.其它挑戰(zhàn)

NVH性能

隨著收入水平的提高，消費(fèi)者越來(lái)越看重汽車NVH性能指標(biāo)(噪音Noise、振動(dòng)Vibration、平穩(wěn)Harshness三項(xiàng)，即乘坐“舒適感”)，而對(duì)于新能源汽車而言，由于其內(nèi)部布置、動(dòng)力總成的結(jié)構(gòu)與振動(dòng)特性與傳統(tǒng)汽車完全不同，不能通過已有經(jīng)驗(yàn)和方法來(lái)研究其動(dòng)力總成和底盤懸架的振動(dòng)特性對(duì)NVH性能的影響。

在噪音優(yōu)化方面，還需要分析電池組中電液流動(dòng)噪聲、驅(qū)動(dòng)電機(jī)和發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)和振動(dòng)噪聲。

汽車輕量化

輕量化一直是汽車研發(fā)中重要的一點(diǎn)，可以提升汽車動(dòng)力性能和操控性、減少能源消耗和排放物。對(duì)于新能源汽車更是如此，降低車重對(duì)于延長(zhǎng)昂貴的蓄電池組使用壽命、提高能源轉(zhuǎn)換效率有著重大意義。然而受制于蓄電池的高質(zhì)量密度，新能源汽車的輕量化工作也具有一定難度。

安全性

安全性是汽車研發(fā)中不得不考慮的問題，新能源汽車的安全性同樣備受關(guān)注。但是在新能源汽車的安全性指標(biāo)上，除了要滿足常規(guī)的安全碰撞標(biāo)準(zhǔn)之外，還要考慮可能發(fā)生的電池燃燒、高壓漏電、電磁干擾帶來(lái)的安全隱患。

傳統(tǒng)汽車使用的電池電壓只有幾十伏，而混合動(dòng)力汽車或純電動(dòng)汽車所用電池電壓少則100多伏，多則300多伏，一旦發(fā)生漏電對(duì)人體的傷害將是致命的。電磁干擾可能導(dǎo)致汽車操控系統(tǒng)失靈，電池燃燒也會(huì)導(dǎo)致爆炸，這些都給汽車安全分析提出了更高的要求。