模塊化多電平逆變器：將直流電轉(zhuǎn)換為交流電

保時(shí)捷Engineering 開發(fā)了用于電動(dòng)汽車的“交流電池”概念，它將眾多組件組合在一個(gè)部件中。它由標(biāo)準(zhǔn)化的控制單元概念控制，具有特別強(qiáng)大和實(shí)時(shí)能力的計(jì)算平臺(tái)。該系統(tǒng)是作為可行性研究的一部分開發(fā)的，在測試臺(tái)上進(jìn)行了測試，并在車輛中進(jìn)行了演示。

電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通常由單獨(dú)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(dòng)機(jī)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(jī)的正弦三相交流電壓。

這種結(jié)構(gòu)已經(jīng)證明了它在當(dāng)前車輛中的有用性，但將來可能會(huì)進(jìn)一步改進(jìn)?！捌囆袠I(yè)的趨勢是高度集成的組件，”保時(shí)捷工程公司專業(yè)項(xiàng)目經(jīng)理 Thomas Wenka 說。“這在外殼尺寸、重量和成本降低、可靠性和效率方面開辟了新的可能性。”作為可行性研究的一部分，保時(shí)捷工程公司的開發(fā)團(tuán)隊(duì)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(dú)立的功能集成到一個(gè)組件中。

在這項(xiàng)研究中，保時(shí)捷工程集團(tuán)的開發(fā)人員將電驅(qū)動(dòng)的高壓電池分為 18 個(gè)單獨(dú)的電池模塊，分布在三個(gè)階段。它們可以通過功率半導(dǎo)體開關(guān)單獨(dú)控制。各個(gè)電池模塊作為分布式實(shí)時(shí)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(shí)現(xiàn)電壓曲線的動(dòng)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(jī)的正弦三相交流電壓?！笆褂?MMSPC，既可以在駕駛時(shí)直接控制電動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，也可以直接連接到交流電網(wǎng)為電池充電，”保時(shí)捷工程專業(yè)項(xiàng)目經(jīng)理 Daniel Simon 解釋道。

眾多技術(shù)優(yōu)勢

其他優(yōu)點(diǎn)包括更容易擴(kuò)展到各種傳動(dòng)系統(tǒng)變體，以及在維修期間或發(fā)生事故時(shí)更安全地處理載流部件。“然后 MMSPC 關(guān)閉，系統(tǒng)有效地恢復(fù)到其各個(gè)模塊，這意味著仍然只能測量模塊電壓，”Wenka 說。此外，如果單個(gè)電池單元可能存在缺陷，則由于智能控制系統(tǒng)會(huì)繞過受影響的電池模塊，因此故障保護(hù)功能會(huì)增加。這使得在降低功率的情況下實(shí)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(shí)，這會(huì)導(dǎo)致車輛故障。交流電池的概念還為通過脈沖充電實(shí)現(xiàn)快速充電能力提供了技術(shù)潛力。

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

實(shí)時(shí)計(jì)算平臺(tái)

在推出交流電池概念的同時(shí)，保時(shí)捷工程集團(tuán)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(qiáng)大的實(shí)時(shí)、統(tǒng)一和高度集成的計(jì)算平臺(tái)。交流電池的各個(gè)功能，例如電機(jī)和電池管理以及充電功能，都在其上并行運(yùn)行?？刂茊卧脚_(tái)由兩個(gè)元件組成，一個(gè)是項(xiàng)目特定的基板，另一個(gè)是獨(dú)立于項(xiàng)目的系統(tǒng)模塊形式的計(jì)算單元，具有與基板的統(tǒng)一接口。

“處理單元代表一個(gè)異構(gòu)多處理器平臺(tái)，并作為單個(gè)片上系統(tǒng)運(yùn)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(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)能力進(jìn)行數(shù)據(jù)控制和監(jiān)控，并結(jié)合了一個(gè)強(qiáng)大的多核處理器，用于在單個(gè)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(jì)算，以減輕處理器的負(fù)擔(dān)并補(bǔ)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(kuò)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(dòng)、通信網(wǎng)關(guān)或電力電子設(shè)備）擴(kuò)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(gè)特點(diǎn)是控制單元功能的以軟件為中心實(shí)現(xiàn)。“一個(gè)部件在處理器上運(yùn)行，該處理器使用 FPGA 進(jìn)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(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)重配置。然而，要做到這一點(diǎn)，模塊上的電力電子設(shè)備必須實(shí)施這種開關(guān)策略，“Simon 說。“通過使用 CPU 和 FPGA 的片上系統(tǒng)方法，我們實(shí)現(xiàn)了普通微控制器無法實(shí)現(xiàn)的硬實(shí)時(shí)功能?！?/p>

保時(shí)捷工程集團(tuán)與新的控制單元平臺(tái)一起，在各種原型中實(shí)施了交流電池的概念，并在測試臺(tái)上成功進(jìn)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?！伴_發(fā)新的控制單元平臺(tái)對(duì)于交流電池來說是絕對(duì)必要的。然而，由于它可以靈活調(diào)整，它已成為一個(gè)將繼續(xù)的獨(dú)立項(xiàng)目，“Wenka 說。對(duì)于新項(xiàng)目，系統(tǒng)級(jí)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(jí)，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(jì)算能力和實(shí)時(shí)能力的應(yīng)用，并且在正在進(jìn)行的項(xiàng)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(jí)模塊上的片上系統(tǒng)獨(dú)立于項(xiàng)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(tái)的不錯(cuò)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(gè)例子：硬件提供了高計(jì)算儲(chǔ)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(diǎn)?！澳壳坝?jì)劃在保時(shí)捷工程公司最初使用新的控制單元平臺(tái)進(jìn)行原型開發(fā)，”Wenka 報(bào)道?！叭欢?，原則上，這個(gè)概念也適用于稍作修改的系列應(yīng)用?！?/p>