保时捷开发一体式“交流电池”系统

“交流电池”（AC battery）属于交流可重构电池系统，将电池、电池管理系统、脉冲逆变器、低压DC-DC和车载充电器等功能集成到一个组件中，集成度更高，它与传统 BEV 系统的主要区别在于功率转换层级。该系统不依赖单个大型逆变器，而是包含多个较小的逆变器，每个逆变器都集成了一个电池模块。保时捷“交流电池”系统将高压电池分拆成了18个单独的电池子模块，分布在三个相位上，它们可以通过SiC MOSFET进行单独控制。而各个电池模块灵活地互连成模块化多级串并联转换器（MMSPC），形成分布式实时系统，从而可以动态建模电压曲线，这样就可以直接从电池模块的直流电压产生电机的正弦三相交流电压。

图1.保时捷AC battery系统整体方案

SiC MOSFET提升电驱系统效率

SiC MOSFET是一种基于碳化硅材料的金属-氧化物-半导体场效应晶体管，采用碳化硅SiC作为半导体材料，结合了MOSFET的结构设计，具有高耐压、低导通电阻和高频开关能力等显著优势。与传统的硅基MOSFET相比，它在高功率和高温应用中表现出更优越的性能。这种器件因其高效、耐高温和高频特性，在电力电子领域得到了广泛应用。现阶段，采用基于SiC MOSFET的电机控制器成为提升电驱系统的效率的确定性趋势。

作为一种由硅和碳组成的化合物半导体材料，SiC‌具有宽禁带（3.26eV，远高于硅的1.12eV）、高击穿电场强度（约为硅的10倍）和高热导率（约为硅的3倍）等特性，使得SiC MOSFET能够在高温、高电压和高频环境下稳定工作，同时实现更小的器件尺寸和更高的效率。在提高动力系统效率方面，SiC技术具有巨大的潜力，比传统硅基IGBT具有更快的开关动态、反向传导能力带来的导通损耗降低以及更优越的热性能。

SiC的击穿电场强度高，使得漂移层可以更薄且杂质浓度更高，从而显著降低导通电阻。例如，900V耐压的SiC MOSFET芯片尺寸仅为硅基MOSFET的1/35。SiC MOSFET在开关过程中不产生尾电流，因此开关损耗低，适合高频应用，如逆变器和转换器。SiC的宽禁带特性使其在高温下仍能保持稳定的半导体性能，适用于高温环境。SiC MOSFET因为高频和高效特性，成为电动汽车电力电子系统的理想选择。

在新能源汽车中，SiC主要应用于动力控制单元（PCU）和充电单元（OBC）。对PCU而言，应用SiC的SiC MOSFET相较当前主流的Si IGBT能够让升压转换器将动力电池的输出电压升压到更高。更高的输出电压可以适配性能更加强劲的驱动电机，有效减小尺寸、体积和重量，同时也能让逆变器将直流电转变为交流电的频率变得更高。

SiC同时具有更低的关断损耗，从而减少了发热量。这样一来，首先可以提高效率并扩大高效转速区间，让新能源车在过去不擅长的中高速工况下也变得高效，带来更长的续航里程；二来，由于发热量大幅降低，使PCU散热需求降低，从而缩小PCU 质量与体积，释放更多空间并进一步轻量化，一定程度上延长续航。因此，SiC在PCU上的应用，可以让新能源汽车续航更长，性能更强。而在OBC的应用上，由于可以承受更高的充电电压，使得充电时间进一步缩短。

新型逆变器具有多项优势

MMSPC的“电池-转换”模块由电池子模块和SiC MOSFET器件构成，每个“电池-转换”模块采用了8个SiC MOSFET器件，也就是说整个MMSPC系统用到了144个器件。虽然SiC MOSFET用量增加了，但是由于电池可用性大幅提升，可弥补这部分的成本增加。这18个“电池-转换”子模块能够实现构成不同的互连配置，如并联、串联、旁路和无源电路，例如将所有模块进行并联，那么电池电压是最低的。如果将它们全部串联，则电压达到最大值。中间值是通过模块并联和串联的不同组合来实现的。

与两电平逆变器相比，这种多电平输出电压具有多项优势：输出交流滤波器更小、牵引电机损耗更低以及整体动力系统效率更高。据保时捷工程公司专家项目经理丹尼尔·西蒙介绍，MMSPC系统既可以在行驶时直接控制电动驱动电机，也可以直接连接到交流电网为电池进行高压快充。

“交流电池”系统更具灵活性，更容易扩展到各种不同类型电驱动力总成系统。对不同电压等级的电池子模块进行“区别对待”，从而可以更好地应对电池老化问题。在维修或发生事故时，可以更安全地处理载流部件。MMSPC关闭后，系统能够有效地变成单独的“电池-转换”模块，这样系统只检测单独的模块。如果某个电池单元出现故障，智能控制系统会绕过而不是用它，大大提高了故障保护能力。传统电池一旦检测出问题，会导致整个车辆故障瘫痪而无法行驶，保时捷的MMSPC可以实现所谓的“跛行回家”功能，使车主能够以较低的功率到达最近的维修厂。

传统电动车驱动系统包含高压电池及电池管理系统（BMS）、电机控制功率电子器件以及车载充电器（AC / DC 转换）三大独立部件，而保时捷的交流电池通过MMSPC技术，将上述功能集成于单一组件，在减重30%的同时提升能量密度。虽然保时捷并没有提交这个系统的续航、成本等数据，但瑞典林雪平大学林雪平大学团队的类似研究表明，使用可重构电池系统，整体系统的续航里程比传统电池系统高出约6%，充电时间可比传统电池组快22%。

中央控制单元强大而快速

要使交流电池概念成为现实，精确控制各个“电池-转换”模块，最大的挑战是开发一个强大而快速的中央控制单元。为此，保时捷研制了由一个标准化的控制单元概念进行控制的系统，具有特别强大的实时、统一且高度集成的计算平台，交流电池的各个功能（如电机和电池管理，以及充电功能）都在其上并行运行。该控制单元系统由两大部分组成，一个是特定项目基板，另一个是独立于项目的计算单元，以系统化模块的形式，与基板具有统一的接口。

图 2. 保时捷“电池 - 转换”模块的 DC-AC 工作原理图

这个控制单元系统相当于一个异构多处理器平台，并作为单个片上系统运行。它结合现场可编程门阵列（FPGA），用于控制和监控系统的实时能力，还有一个强大的多核处理器，用于在单个组件中处理大量数据。多核处理器是指在一枚处理器中集成两个或多个完整的计算引擎（内核），此时处理器能支持系统总线上的多个处理器，由总线控制器提供所有总线控制信号和命令信号。

FPGA是一种在计算和数字电路领域广泛应用的硬件设备，以其独特的可编程性和灵活性，成为了处理多种应用的理想选择。它能够接管复杂的计算，以减轻处理器的负担，并补充缺失的外围设备。与通常的纯微控制器解决方案相比，在扩展性和灵活性方面具有明显优势。通过选择片上系统系列中的衍生产品，其性能可以从基本的电子控制单元（ECU）要求，例如I/O驱动、通信网关或电力电子设备，扩展至具有额外图形处理单元（GPU）和视频编解码器要求的复杂先进驾驶辅助（ADAS）系统。

新的控制单元系统的一大特点是以软件为中心实现控制单元功能，其中一部分在处理器上运行。利用FPGA实现快速控制和最佳开关策略，最终同步控制所有模块，可以通过软件进行动态重构。为了实现这一目标，模块上的电力电子设备必须实施这种开关策略，通过使用带有中央处理器（CPU）和可编程增益放大器（PGA）的片上系统方法，实现普通微控制器无法实现的硬实时能力。  

由于能够灵活地适应新的要求，因此该控制单元系统适用于需要高计算能力和实时能力的所有应用，尽管在项目进行过程中这些要求仍可能发生变化。因为能够帮助实现控制单元系统化模块上的片上系统的项目独立组合，很好地处理其他复杂的任务，因此成为用于原型开发的功能性原型平台的良好选项。

与传统的电子控制单元（ECU）原型相比，新的控制单元的优点包括加快功能开发，例如硬件可以提供高计算储量，而基本软件和现有软件块可以作为开发控制单元的良好起点。保时捷表示，已经将交流电池概念与新的控制单元平台一起应用于各种车辆原型，并在测试台上进行了成功的测试，原则上该概念也适用于稍加修改的系列应用。
（编译自cleantechnica.com，March26，2025）

延伸阅读

近日，极氪和沃尔沃公布了基于最佳直流链路电压和同步升压转换器的电动汽车SiC电驱设计。为了进行比较，研究团队对“升压器+逆变器”电路采用两类功率模块：半桥SiC模块CAB450M12XM3和硅基IGBT模块FZ600R12KE3。其中基于SiC的“升压器+逆变器”系统使用了四个SiC半桥模块（一个用于升压器，三个用于逆变器），每个开关位置都有一个SiC MOSFET；基于IGBT的逆变器使用了6个IGBT模块，每个开关位置一个，升压器采用两个模块，以满足每个分析中的相应设计规范。具体在电机方面，研究团队设定定子有48个槽，为了提高计算效率，利用八个相同极点的对称性将模型缩小到原来的八分之一。

结果表明，使用SiC MOSFET可以发挥通过DC-DC（直流-直流）升压器实现的可调DC链路电压的优势，增强可调DC链路电压电驱系统的节能潜力。究其原因，一是在逆变器损耗的减少，二是使用SiC MOSFET 时，DC-DC升压器引入的额外电力电子损耗几乎可以忽略不计。在WLTC（全球统一轻型车辆测试循环）行驶周期内，基于IGBT和SiC的系统在较高的固定升压450V直流链路电压下，累积能量损耗都有显著降低，其中IGBT“升压器+逆变器”系统降低了27%，而SiC“升压器+逆变器”系统降低了31.7%。

最佳直流链路电压曲线实现了更大的能量损耗降低。从整个WLTC行驶周期内来看， SiC“升压器+逆变器”系统的累计能量损耗比IGBT系统减少了16%。与固定的300V未升压直流母线电压相比，采用最佳直流链路电压曲线，可使基于SiC的“升压器+逆变器”系统的能耗减少58%，使基于IGBT的“升压器+逆变器” 系统的能耗减少54%。与固定的450 V升压直流母线相比，能量损失减少了30%以上。

编译：李忠东

来源：荣格-《国际汽车设计及制造》

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