混合動力汽車的功率器件和管理方面需面臨哪些挑戰(zhàn)？

混合動力汽車(HEV)市場的增長在很大程度上取決于每加侖/英里這一能耗指標(biāo)及追加投入的每個硬幣所帶來的好處以及混合系統(tǒng)現(xiàn)場的可靠性。消費者將混合汽車與標(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。

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)。

混合動力汽車的分類

在混合汽車驅(qū)動系統(tǒng)中，需將一或幾個電機(jī)與燃燒引擎一起使用?？筛鶕?jù)混合程度和系統(tǒng)架構(gòu)對混合汽車進(jìn)行分類?？杀环譃槲?micro)級、輕度(mild)級和完全(full)級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)。對一款特定車輛來說，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-停止功能時(例如旅行車場合)，用一個集成起動器/交流發(fā)電機(jī)系統(tǒng)代替了起動器和交流發(fā)電機(jī)的并行微混合的方法就很通用。在這些系統(tǒng)中，電壓和功率等級相對較低，其油耗的改進(jìn)在10%左右。

除啟動-停止功能外，當(dāng)需要時，一個輕度混合系統(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行車輛，則需要一個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(對升壓轉(zhuǎn)換器來說，是從低的電池電壓到高的逆變器輸入電壓;對降壓轉(zhuǎn)換器來說是從高壓電池到低壓電池)。因在該能量轉(zhuǎn)換中，要對高壓和大電流進(jìn)行開關(guān)，所以需采用具有最低損耗的功率器件技術(shù)。對較低的系統(tǒng)電壓和電流來說，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。對輕度混合應(yīng)用來說，當(dāng)系統(tǒng)電壓高于120V時，IGBT是首選器件。對全混合應(yīng)用來說，600V到1200V的IGBT是使用的唯一器件。

一般來說，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減小了導(dǎo)通和開關(guān)損耗。通過采用一個場截止(fieldstop)層來得到更低損耗，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。

嵌放在一個便利封裝內(nèi)的功率模塊可承受極端溫度環(huán)境、震動及其它惡劣環(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)生的振動帶來可靠性挑戰(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/15萬英里，所以在設(shè)計該模塊時，要使其能具有期望的可靠性。例如，在某些情況，更高的器件性能會對模塊的穩(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)鍵部件包括動力電池組、牽引電動機(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)計中涉及到復(fù)雜的物理問題之外，還存在系統(tǒng)集成時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)時必須考慮的因素。

1.電池組

在混合動力汽車和純電動汽車中，電池組是車輛最主要的動力來源，同時也為眾多的電動輔助系統(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)系到車輛動力性能。在設(shè)計電池組的時候，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)、電磁因素對電池組及電池單體的影響。

電池組在充、放電的時候會產(chǎn)生熱，長時間工作在比較惡劣的熱環(huán)境中，將會縮短電池使用壽命、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，就會形成有害的電流回路也會縮短電池的壽命。要管理電池組發(fā)熱問題，就需要根據(jù)電池組內(nèi)部溫度場分布來設(shè)計一個風(fēng)冷或水冷的冷卻系統(tǒng)，而設(shè)計高效的冷卻系統(tǒng)則涉及到傳熱學(xué)和流體動力學(xué)等知識。

電池組的安裝位置、結(jié)構(gòu)分布會影響車內(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影響其所受各種應(yīng)力，這時候需要考慮是否會引發(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乘客造成危險。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.電動機(jī)

電動機(jī)是新能源汽車驅(qū)動系統(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)械能來驅(qū)動車輛運行，消費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者的購買決策。而電動機(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)計出高效率的電動機(jī)是新能源汽車電氣傳動系統(tǒng)研發(fā)最重要的挑戰(zhàn)之一。

此外，混合動力和純電動汽車所用的牽引電動機(jī)可能面臨非常嚴(yán)苛的工作環(huán)境，電動機(jī)持續(xù)工作在極端溫度條件、劇烈振動、大工作循環(huán)及崎嶇路面條件下。在混合動力汽車中，電動機(jī)還受發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的高溫影響。這些因素要求電動機(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系統(tǒng)中，電力電子器件精確地控制著蓄電池與牽引電動機(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調(diào)節(jié)電氣傳動系統(tǒng)。電力電子器件根據(jù)傳感器監(jiān)測到的位置、速度、溫度等反饋信號，嚴(yán)格控制著蓄電池提供給牽引電動機(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)計所關(guān)注的一個主要問題。由電氣傳動系統(tǒng)傳遞到車輪和再生制動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。這需要對電力電子器件中的電磁損耗做精確計算并研究出相關(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。

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)計的，在不同的驅(qū)動工況下對電氣傳動動力集成部件及系統(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重要的問題，如果不解決這些問題，電磁干擾就會破壞信號傳遞和檢測并影響電動機(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)分析來仔細(xì)研究電氣元件之間的電磁干擾影響，在電氣傳動系統(tǒng)邏輯控制中也要考慮。這就需要全面地研究電動機(jī)及其周圍電磁部件內(nèi)和周邊的電磁場，這些部件在工作時又是相互連通、耦合的，這對電磁兼容性分析、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，消費者越來越看重汽車NVH性能指標(biāo)(噪音Noise、振動Vibration、平穩(wěn)Harshness三項，即乘坐“舒適感”)，而對于新能源汽車而言，由于其內(nèi)部布置、動力總成的結(jié)構(gòu)與振動特性與傳統(tǒng)汽車完全不同，不能通過已有經(jīng)驗和方法來研究其動力總成和底盤懸架的振動特性對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噪聲、驅(qū)動電機(jī)和發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動和振動噪聲。

汽車輕量化

輕量化一直是汽車研發(fā)中重要的一點，可以提升汽車動力性能和操控性、減少能源消耗和排放物。對于新能源汽車更是如此，降低車重對于延長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，而混合動力汽車或純電動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，電池燃燒也會導(dǎo)致爆炸，這些都給汽車安全分析提出了更高的要求。