电动汽车电源管理技术最新进展

件在4个关键领域表现相当卓越：高温工作、更高的击穿电压、低导通电阻及适合更高工作频率的奈米级开关速度。这些优势和GaN与SiC类似，而它们的区别有两点：LED和射频晶体管一直使用GaN；许多Si工艺兼容GaN工艺，与SiC较高的基底成本相比，降低了晶圆成本及工艺成本。

由于早在2003年就解决了可靠性问题，因此今天的技术成功让第一个GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）组件进行投产。这些都是常态导通 （normally-on）组件，因此0V的栅极电压将形成导通状态，小于0V的任何电压都将关断组件。早期使用的是SiC基板（substrate），一旦Si基板能与GaN完美结合，生产成本就能显著降低。在2014年，一个新的级联架构实现将常态导通组件变为常断（normally-off）组件。

自此以后，驱动技术获得长足发展，整合度越来越高，电源逆变器也有显著进步。GaN组件在电动汽车的电池充电器中也有不凡表现，这些充电器由交流/直流转换器加直流/直流转换器组成。这种组合就是一种功率因子控制器（PFC）（图2）。

图2 典型的电动汽车电源架构。

利用GaN，加上开关速度更高的GaN HEMT，可以实现更小的被动组件。增加的频率透过较小的电感将功率架构引向较低的涟波（ripple）电流，因此改善了功率因子，并得到体积更小、成本更低的电容。更低的涟波电流对电容的应力也更小，从而提高其可靠性和寿命。

过去几年来GaN的可靠性已经被提高到一个很高的标准，这是GaN在汽车中使用的关键。

利用混合动力汽车传动系统效率降低温室气体排放

目前约72%的交通排放由行驶在道路上的汽车产生。改进混合动力汽车传动系统设计以提高其效率是降低排放的主要手段。一种方法是增强DC-link电压控制架构的效率，这意味着首先需要提高串联型混合动力汽车传动系统的电源转换器效率。

DC-link通常连接三个传动系统：由三相整流器组成的初级电源；由双主动桥式（DAB）直流/直流转换器组成的次级电源；由三相位逆变器组成的推进负载（图3），它们与串联式混合动力汽车相关。

图3 混合动力汽车的传动系统框图。

在 DC-link和电池电压不相等的设计拓扑中，直流/直流转换器中间解决方案是必需的。有篇IEEE的论文《用于提高串联式混合动力汽车中电源电路效率的电压控制方法（Voltage Control for Enhanced Power Electronic Efficiency in Series Hybrid Electric Vehicles）》描述了研究不同架构的许多方法以及用于各种DC-link电压和直流/直流转换器控制的方案。

以下将讨论比例控制定律（pro-porTIonal control law），该定律用于控制动态DC-link电压以实现DAB直流/直流转换器桥栅极开关波形之间的相移。这种转换器位于串联式混合动力汽车传动系统的 DC-link和电池之间，如图4所示。在这种情况下，控制器使直流/直流转换器电能损耗及整个传动系统的损耗都变得更低。

图4 控制原理图中的混合动力汽车传动系统互连图。引擎（ICE）、连续可变变速箱（CVT）、永磁同步马达（PMSG）或混合动力汽车的初级电源、永磁同步马达（PMSM）或混合动力汽车的推进负载都是图中所示系统的关键组件。

在这个模型中，柴油机是混合动力汽车的主要动力源，直流电池是次级动力源。管理控制系统（SCS）根据电池电量状态（SOC）和马达负载来控制这两个动力源提供的动力比例。

事实上，在这种串联型混合动力汽车中，DC-link电压将抑制条件施加于与单位调制指数对应的PMSM和PMSG的理想工作区，这样系统就能避免出现导致讯号失真并降低系统效率的过调状态。将调制指数保持接近1，可以提高传动系统中电源电路的总效率，从而最大限度地提高逆变器和整流器的效率，而开关过程是其效率损失的主要因素，因此降低开关电压可以提高效率。

这种能够最大限度减少功率损失的持续永久零压开关（ZVS）机制最适合具有高混合因子（HF）的汽车，特别是在城市环境中。混合因子是指来自电源的装机功率与总装机功率之比。这个混合因子会影响混合动力汽车中的燃油消耗。

汽车逆变器

主电源逆变器控制着电力传动系统中的马达，是混合动力汽车/电动汽车中的一个重要装置。电源逆变器就像引擎汽车中的发动机管理系统（EMS）一样决定着驾驶行为。这种逆变器适用于任何马达，比如同步、异步或无刷马达，由整合的电子PCB控制。这块PCB板是汽车制造商专门设计的，用于最大程度地减少开关损耗，以及最大化地提高热效率。逆变器的其他功能是捕获再生制动释放的能量，并回馈给电池充电。混合动力汽车/电动汽车的行驶距离与主逆变器的效率直接相