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功率变换器在新能源汽车驱动系统中的应用

第三代半导体产业联盟 · 公众号 · · 2018-09-18 12:04

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导读

功率变换器作为新能源汽车电机驱动系统的重要组成部分，在能源转换的过程中有着举足轻重的地位。

电机驱动系统是电动汽车领域的核心，能够高效的将蓄电池的电能转换成汽车的动能。功率变换器作为新能源汽车电机驱动系统的重要组成部分，在能源转换的过程中有着举足轻重的地位。电机驱动系统中功率变换器可分为直流/直流(DC/DC)变换和直流/交流(DC/AC)变换两类。

一、DC-DC变换器

DC-DC变换器在驱动系统中主要起到升压作用，由于电压源型电机驱动系统结构中降压特性、寿命短、可靠性低等缺陷与不足，目前市场上常见的解决方法是在驱动系统中增加一个DC-DC升压变换器(BOOST DC/DC)，使得三相电压源型电机驱动系统的主电路拓扑改进为DC-DC 级联电压源型 PWM 逆变器（VSI）的结构拓扑结构。

电动汽车电气系统中的DC-DC 变换器将频繁波动的电池电压变换成一个稳定的电压为电机驱动系统提供电能，从而增强驱动系统的稳定性。目前电动汽车驱动系统大多采用 DC-DC 级联 VSI 的多级功率拓扑，这种结构优化了电机控制性能，减小了电池尺寸，避免了浪涌电压的不利情况。

BOOST DC/DC 变换器主要特点：

（1）需要能够控制功率流的双向流动，以确保动力电池的充放电功能；

（2）功率大小需要匹配电机驱动系统的功率需求，一般与电机驱动系统集成设计，共用其冷却方式；

（3）采用非隔离设计拓扑方式，一般采用普通的BUCK-BOOST拓扑方式，设计简单；

（4）电路拓扑简单，但在整车设计开发中需要配合动力电池和电机系统一起来控制、配合整车方面的较为复杂。

二、DC-AC逆变器

逆变器通常分为电压输入式和电流输入式。在电动汽车驱动控制器中，逆变器是实现能量交直流转化的关键部件，用于电机的驱动或制动时的能量回收。电控系统最主要的损耗来源于逆变器部分。

由于需要大量的电感元件来模拟电流源，所以电流供给式逆变器很少用于电动汽车驱动。由于电压输入式逆变器简单且能进行双向能量转换，目前市场上，电动汽车上几乎只使用这种逆变器。

电动汽车中的交流驱动电机的DC/AC一般集成于电机控制器中。电机控制器国产化率较高，国内新能源汽车大多采用国产电机控制器，少数企业选取伊诺华、伊顿等国外品牌。国产电控供应商主要以比亚迪、北汽新能源、联合汽车、上海电驱动、安徽巨一等企业为主。然而，我国逆变器供给主要依赖进口，“02 专项”提出，2020 年逆变器性能和可靠性达到国际先进水平。

同时，驱动系统小型化、轻量化成为未来电动汽车发展的趋势和路径，不少企业开始生产电机、减速箱、逆变器三位一体的驱动系统，以系统集成方式销售给主机厂，如博世，GKN Driveline，三菱电机和舍弗勒等。

图表1 主机厂与对应的逆变器供应商

主机厂	供应商	模式
丰田	电装	内供
本田	三菱电机	内供
日产	Valeo	内供
戴姆勒	三菱电机、日立
雷诺	大陆
大众	博世
宝马	德尔福
标致	博世
通用	德尔福
福特	东芝
特斯拉	International Rectifier （已与英飞凌合并）
吉利	西门子
比亚迪	比亚迪

功率变换器在新能源汽车驱动系统中的应用

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