插播：5月15日，“電動(dòng)交通&數(shù)字能源SiC技術(shù)應(yīng)用及供應(yīng)鏈升級(jí)大會(huì)”活動(dòng)將在上海舉辦，演講或攤位咨詢請聯(lián)系許若冰（hangjiashuo999）。
3月19日，保時(shí)捷發(fā)表了一篇題為《模塊化多電平SiC逆變器：將直流電轉(zhuǎn)換為交流電》的文章，他們提出了一個(gè)新的概念 “交流電池（AC battery）”，這種交流可重構(gòu)電池系統(tǒng)有以下幾個(gè)亮點(diǎn)：
● 高度集成：電池、BMS、電控、低壓DC-DC和OBC集成為一個(gè)部件；
● 將大電池分拆成18個(gè)電池子模塊，減少了總串聯(lián)電池?cái)?shù)量，可以大幅延長電池壽命，并且單個(gè)電池子模塊可獨(dú)立控制，因此出現(xiàn)故障后依舊能夠“跛行回家”；
● 單個(gè)電池子模塊采用8顆SiC MOSFET，18個(gè)子模塊合計(jì)采用144顆器件，與傳統(tǒng)兩電平逆變器相比，這種多電平逆變器的動(dòng)力系統(tǒng)效率更高。
保時(shí)捷表示，他們已經(jīng)成功在試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了測試，并在車輛上進(jìn)行了演示（獲取原文，請加微信：hangjiashuo999）。
保時(shí)捷AC battery系統(tǒng)整體方案
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提升續(xù)航、降低電池成本、提高集成度
目前，汽車廠商都傾向于將直流母線電壓提高到800V，甚至比亞迪和特斯拉還發(fā)布了1000V的汽車平臺(tái)，但是電動(dòng)車電壓并不能簡單粗暴地將電壓提高到800V-1200V，因?yàn)?span style='color: rgb(51, 51, 51);font-family: system-ui, -apple-system, BlinkMacSystemFont, "Helvetica Neue", "PingFang SC", "Hiragino Sans GB", "Microsoft YaHei UI", "Microsoft YaHei", Arial, sans-serif;font-size: 15px;letter-spacing: 0.544px;text-align: start;white-space: pre-wrap;background-color: rgb(255, 255, 255);'>電動(dòng)車要完全取代油車仍需要持續(xù)降低成本、提升續(xù)航。
高電壓可以縮短充電時(shí)間，同時(shí)降低傳導(dǎo)損耗，但是恒定不變的高壓平臺(tái)會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)幾個(gè)方面的問題：
主流電動(dòng)車的電池、電控和電機(jī)
一是逆變器在高電壓情況下的開關(guān)損耗會(huì)增加，電機(jī)鐵芯的磁性損耗也會(huì)增加，所以在800V以上平臺(tái)需要采用更節(jié)能的SiC MOSFET來替代硅基IGBT。
二是高壓平臺(tái)在低速和低扭矩工作點(diǎn)的效率會(huì)下降，而低速又是城市日常用車的主要場景。
三是電池冗余成本。通常由于電池之間的容量差異，長串聯(lián)的大電池組為了保障安全，電池容量沒有得到100%利用，存在很大程度的裕量電池成本浪費(fèi)；
四是電池老化風(fēng)險(xiǎn)，長串聯(lián)的大電池組的可用容量是由最弱的電池決定的，很容易出現(xiàn)一顆老鼠屎壞了一鍋粥的情況。
因此，最近幾年汽車行業(yè)提出了幾種可以進(jìn)一步優(yōu)化電動(dòng)車效率、續(xù)航和成本的技術(shù)，例如極氪-沃爾沃團(tuán)隊(duì)開發(fā)出“轉(zhuǎn)換器+逆變器系統(tǒng)”，即在電池組和逆變器之間插入一個(gè)直流-直流轉(zhuǎn)換器。
極氪-沃爾沃團(tuán)隊(duì)的“轉(zhuǎn)換器+逆變器系統(tǒng)”
這種技術(shù)可以對逆變器直流鏈路電壓進(jìn)行可變的控制，可將300V電壓SiC電驅(qū)的能耗降低58%（鏈接）。
在上述技術(shù)的基礎(chǔ)上，杜克大學(xué)等研究團(tuán)隊(duì)還提出了新的設(shè)計(jì)思路——模塊化多級(jí)串并聯(lián)轉(zhuǎn)換器 (MMSPC)。MMSPC簡單來說就是將大電池組拆分成多個(gè)小的電池子模塊，然后與功率器件組成“電池-轉(zhuǎn)換”模塊。
另外，由于縮短了串聯(lián)電池的長度，可有效解決了因電池間參數(shù)變化而導(dǎo)致的平均容量下降問題，根據(jù)林平雪大學(xué)團(tuán)隊(duì)的研究，該技術(shù)可以將電池系統(tǒng)的潛在壽命時(shí)間延長高達(dá)71%（獲取這兩個(gè)文獻(xiàn)，請加微信：hangjiashuo999）。
杜克大學(xué)團(tuán)隊(duì)MMSPC系統(tǒng)
在這個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，保時(shí)捷Engineering公司提出了更為前沿的系統(tǒng)——“交流電池”概念。
相較于杜克大學(xué)的方案，保時(shí)捷的“交流電池”系統(tǒng)的集成度更高，它將電池、電池管理系統(tǒng)、脈沖逆變器、低壓DC-DC和車載充電器等功能集成到一個(gè)組件中。
采用144顆SiC MOS
“交流電池”屬于交流可重構(gòu)電池系統(tǒng)，與傳統(tǒng) BEV 系統(tǒng)的主要區(qū)別在于功率轉(zhuǎn)換層級(jí)。交流可重構(gòu)系統(tǒng)不依賴單個(gè)大型逆變器，而是包含多個(gè)較小的逆變器，每個(gè)逆變器都集成了一個(gè)電池模塊。
從下圖可以看出，保時(shí)捷“交流電池”系統(tǒng)將高壓電池分拆成了18個(gè)單獨(dú)的電池子模塊，分布在三個(gè)相位上，它們可以通過SiC MOSFET進(jìn)行單獨(dú)控制。而各個(gè)電池模塊靈活地互連成模塊化多級(jí)串并聯(lián)轉(zhuǎn)換器 (MMSPC)，形成分布式實(shí)時(shí)系統(tǒng)，從而可以動(dòng)態(tài)建模電壓曲線，這樣就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。
保時(shí)捷MMSPC系統(tǒng)示意圖
與兩電平逆變器相比，這種多電平輸出電壓具有多項(xiàng)優(yōu)勢，包括：輸出交流濾波器更小、牽引電機(jī)損耗更低以及整體動(dòng)力系統(tǒng)效率更高。
據(jù)保時(shí)捷工程公司專家項(xiàng)目經(jīng)理 Daniel Simon介紹，MMSPC系統(tǒng)既可以在行駛時(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)為電池進(jìn)行高壓快充。
MMSPC的“電池-轉(zhuǎn)換”模塊是由電池子模塊和SiC MOSFET器件構(gòu)成，每個(gè)“電池-轉(zhuǎn)換”模塊采用了8顆SiC MOSFET器件，也就是說整個(gè)MMSPC系統(tǒng)會(huì)用到144顆器件，雖然SiC MOSFET用量增加了，但是由于電池可用性大幅提升，可彌補(bǔ)這部分的成本增加。
保時(shí)捷并沒有提交這個(gè)系統(tǒng)的續(xù)航、成本等數(shù)據(jù)，但林雪平大學(xué)團(tuán)隊(duì)的類似研究表明，使用可重構(gòu)電池系統(tǒng)，整體系統(tǒng)的續(xù)航里程比傳統(tǒng)電池系統(tǒng)高出約6%，充電時(shí)間可比傳統(tǒng)電池組快22%。
保時(shí)捷“電池-轉(zhuǎn)換”模塊的拓?fù)鋱D
此外，這18個(gè)“電池-轉(zhuǎn)換”子模塊可實(shí)現(xiàn)構(gòu)成不同的互連配置，如并聯(lián)、串聯(lián)、旁路和無源電路，例如將所有模塊進(jìn)行并聯(lián)，那么電池電壓是最低的（左）。如果將它們?nèi)看?lián)，則電壓達(dá)到最大值（右）。中間值是通過模塊并聯(lián)和串聯(lián)的不同組合來實(shí)現(xiàn)的。
保時(shí)捷“電池-轉(zhuǎn)換”模塊的DC-AC工作原理圖
保時(shí)捷認(rèn)為，他們的AC battery系統(tǒng)具有多個(gè)優(yōu)勢：
一是這個(gè)系統(tǒng)更具靈活性，更容易擴(kuò)展到各種不同類型電驅(qū)動(dòng)力總成系統(tǒng)；
二是在維修或發(fā)生事故時(shí)，可以更安全地處理載流部件：
▲?MMSPC關(guān)閉后，系統(tǒng)可以有效地變成單獨(dú)的“電池-轉(zhuǎn)換”模塊，這樣系統(tǒng)只檢測單獨(dú)的模塊，如果某個(gè)電池單元出現(xiàn)故障，智能控制系統(tǒng)會(huì)繞過而不是用它，這樣就提高了故障保護(hù)能力。
▲?傳統(tǒng)電池一旦檢測出問題，會(huì)導(dǎo)致整個(gè)車輛故障癱瘓而無法行駛，保時(shí)捷的MMSPC可以實(shí)現(xiàn)所謂的“跛行回家”功能，使車主能夠以較低的功率到達(dá)最近的維修廠。
林雪平大學(xué)的研究還提到了另一個(gè)好處，就是對不同電壓等級(jí)的電池子模塊進(jìn)行“區(qū)別對待”，從而可以更好地應(yīng)對電池老化問題。
電驅(qū)總成系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)軟件定義
但是實(shí)施交流電池概念的主要挑戰(zhàn)是開發(fā)一個(gè)強(qiáng)大而快速的中央控制單元，以便精確控制各個(gè)“電池-轉(zhuǎn)換”模塊。為此，保時(shí)捷還開發(fā)了一個(gè)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)是由一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的控制單元概念進(jìn)行控制，并配備了一個(gè)功能特別強(qiáng)大且可實(shí)時(shí)運(yùn)行的計(jì)算平臺(tái)。
保時(shí)捷AC battery系統(tǒng)的中央控制單元
該控制單元平臺(tái)是由兩個(gè)部分組成，一個(gè)是項(xiàng)目特定的基板，另一個(gè)是項(xiàng)目獨(dú)立的計(jì)算單元，后者是系統(tǒng)級(jí)模塊的形式，具有與基板的統(tǒng)一接口。
據(jù)Simon 解釋，圖片上方的處理單元是一個(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)，用于控制和監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)能力，以及一個(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)。
FPGA可以接管復(fù)雜的計(jì)算以減輕處理器負(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（I/O 驅(qū)動(dòng)、通信網(wǎng)關(guān)或電力電子），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)是控制單元功能的軟件集中實(shí)現(xiàn)。
保時(shí)捷表示，他們已經(jīng)將“AC battery”概念與新的控制單元平臺(tái)一起應(yīng)用于各種車輛原型，并在測試臺(tái)上進(jìn)行了成功的測試。該系統(tǒng)還集成到測試車輛中，以展示其基本功能。
電動(dòng)交通&數(shù)字能源SiC技術(shù)應(yīng)用及供應(yīng)鏈升級(jí)大會(huì)
碳化硅是新能源和工業(yè)電氣化的技術(shù)發(fā)展方向，2025年5月15日，“行家說”將在上海舉辦“電動(dòng)交通&數(shù)字能源SiC技術(shù)應(yīng)用及供應(yīng)鏈升級(jí)大會(huì)”，本屆大會(huì)將邀請SiC頭部廠商、下游終端應(yīng)用廠家等產(chǎn)業(yè)鏈核心玩家，共同探討碳化硅在新能源汽車中的技術(shù)應(yīng)用等關(guān)鍵話題。
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