“解救咱们的地球，让地球远离污染！”这是世界各地的科学家和有识之士对下降温室气体排放的共同呼声。由石化燃料引擎驱动的轿车是元凶巨恶，尽管推动轿车跋涉的代替技能有很多种，但现在仅有可行的计划是——电力（Electricity）。
电动推动技能需求在轿车中整合一种全新架构的动力传动体系，这种新添加的组件要求相对应的体系组件进行多学科的深入研讨。电动轿车体系由电动马达、电力转化器和储能设备如锂离子电池组成，这种新的架构体系有必要通过优化来最大极限地前进体系功率，使轿车在单次充电便能到达最长的行进间隔，电子技能的开展为削减交通运输的气体排放量带来重要的推动力。
电动轿车（EV）和混合动力轿车（HEV）
电动轿车靠电池行进，混合动力轿车也相同，仅仅它还运用一个石化燃料焚烧的引擎作为辅佐。给这些轿车供电的技能要想取得成功并具有夸姣的未来，能效是要害，因而需求智能的电源办理机制，最大化地前进将电池能量转化为车轮机械驱动力的功率，然后添加单次充电的行进间隔，一起不添加碳排放，抱负情况下更是能明显下降碳排放。
电动轿车的碳化硅（SiC）功率
电动轿车的分量、体积和本钱，以及单次充电的行进间隔与电力转化体系的功率直接相关。SiC电源组件十分适宜在轿车常见的高温环境中作业。让咱们细心看看SiC电源组件怎么前进体系功率。
更轻的分量意味着路程数的延伸。下降电源转化体系的分量、本钱和尺度的一种典型办法是前进开关稳压器的开关频率。咱们都知道，在较高频率点作业时，电感、电容和变压器等自动组件的尺度和分量能够缩小，既然如此，快选用SiC处理计划吧。
尽管硅（Si）电源组件也能作业在高频，但SiC的优势是能够处理比Si高得多的电压。SiC是一种宽能隙（wide band gap，WBG）的半导体组件，而较宽的能隙意味着较高的临界电场（临界电场是关断状况下的堵塞电压）。宽带隙SiC组件的高压才能答应它们具有更低的导通电阻，然后完成更快的开关速度和单极性作业状况，部分原理是其载频需求被加快至更高的速度（更高的动能）来战胜更宽的能隙。
尽管砷化镓（GaA）和氮化镓（GaN）也具有很高的临界电场，也是针对大功率处理计划的改善型组件，但SiC还有其他优势。比方更高的最大作业温度，很高的德拜温度（Debye temperature），很高的热传导性（在多晶SiC中），在电场中完成快速开关和低电阻率的高载流子饱满速度，便利生成二氧化硅（SiO2）带来的更低的生产本钱，以及很高的阈值能量导致更强的辐射硬化（radiaTIon hardening）。
SiC 组件在电动轿车中有许多要害运用。现有的电力牵引驱动设备能够将85%的电能转化为机械动能以驱动车轮，这个功率是适当高的，但SiC也能帮忙前进功率。电能转化器能获益于功率的改善，由于它能将电池能量传递给发动机，并且能在电池充电器电路和任何需求的辅佐电源中运用（图1）。
图1 SiC电源组件在电动轿车中有许多用处。
将 750V转化到27V供低压电动轿车运用的SiC电源供给，是用SiC功率组件前进电动轿车功率的很好比方。这种架构将功率从88%前进到了惊人的 96%，将尺度和分量削减了25%，并且与Si处理计划比较不需求用电扇来冷却剩余的热量。表1显现电动轿车SiC功率组件的一些重要运用。
表 1 电动轿车电子架构中的一些SiC运用。（PCU是指电源操控单元；APS是指辅佐电源）（表格来历：2015 Tenth InternaTIonal Conference on Ecological Vehicles and Renewable Energies）
电动轿车的GaN功率
GaN 关于电动轿车的电源改善也功不可没。马达驱动和直流/直流操控中广泛运用的绝缘栅双极晶体管（IGBT）一向是依据Si的产品。这些规划的开关时间一般在 10k~100kHz数量级，而GaN组件的开关时间能够到达奈秒（ns）级，并且能够轻松地在200℃的轿车环境下作业。
就像SiC相同，GaN组件由于具有更高的开关速度，因而也能缩小电源架构中电感、电容和变压器的尺度，还能因被迫组件尺度的缩小而削减总体积和分量。
咱们将依据电动轿车电池的化学成分剖析它们的成效，比方依据锂的化学成分以及具有高能量密度的镍氢电池（NiMH）。如前面SiC组件部分所述，为了使一次充电能够行进更长的间隔，相同需求前进电源转化架构的功率。
Si组件的开关速度和最小导通电阻现已到达最大极限，GaN似乎是逾越这些极限的一种可行的计划。试验标明，假如开关频率能够前进5倍，电感和电容的体积就能够缩小至五分之一。今日的GaN技能能够支撑很高的速度。
GaN 功率组件在4个要害范畴体现适当杰出：高温作业、更高的击穿电压、低导通电阻及适宜更高作业频率的奈米级开关速度。这些优势和GaN与SiC相似，而它们的差异有两点：LED和射频晶体管一向运用GaN；许多Si工艺兼容GaN工艺，与SiC较高的基底本钱比较，下降了晶圆本钱及工艺本钱。
由于早在2003年就处理了牢靠性问题，因而今日的技能成功让第一个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，因而0V的栅极电压将构成导通状况，小于0V的任何电压都将关断组件。前期运用的是SiC基板（substrate），一旦Si基板能与GaN完美结合，生产本钱就能明显下降。在2014年，一个新的级联架构完成将常态导通组件变为常断（normally-off）组件。
自此以后，驱动技能取得长足开展，整合度越来越高，电源逆变器也有明显前进。GaN组件在电动轿车的电池充电器中也有非凡体现，这些充电器由沟通/直流转化器加直流/直流转化器组成。这种组合便是一种功率因子操控器（PFC）（图2）。
图2 典型的电动轿车电源架构。
运用GaN，加上开关速度更高的GaN HEMT，能够完成更小的被迫组件。添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，因而改善了功率因子，并得到体积更小、本钱更低的电容。更低的涟波电流对%&&&&&%的应力也更小，然后前进其牢靠性和寿数。
曩昔几年来GaN的牢靠性现已被前进到一个很高的规范，这是GaN在轿车中运用的要害。
运用混合动力轿车传动体系功率下降温室气体排放
现在约72%的交通排放由行进在道路上的轿车发生。改善混合动力轿车传动体系规划以前进其功率是下降排放的首要手法。一种办法是增强DC-link电压操控架构的功率，这意味着首要需求前进串联型混合动力轿车传动体系的电源转化器功率。
DC-link一般衔接三个传动体系：由三相整流器组成的初级电源；由双自动桥式（DAB）直流/直流转化器组成的次级电源；由三相位逆变器组成的推动负载（图3），它们与串联式混合动力轿车相关。
图3 混合动力轿车的传动体系框图。
在 DC-link和电池电压不相等的规划拓扑中，直流/直流转化器中心处理计划是必需的。有篇IEEE的论文《用于前进串联式混合动力轿车中电源电路功率的电压操控办法（Voltage Control for Enhanced Power Electronic Efficiency in Series Hybrid Electric Vehicles）》描绘了研讨不同架构的许多办法以及用于各种DC-link电压和直流/直流转化器操控的计划。
以下将评论份额操控规律（pro-porTIonal control law），该规律用于操控动态DC-link电压以完成DAB直流/直流转化器桥栅极开关波形之间的相移。这种转化器坐落串联式混合动力轿车传动体系的 DC-link和电池之间，如图4所示。在这种情况下，操控器使直流/直流转化器电能损耗及整个传动体系的损耗都变得更低。
图4 操控原理图中的混合动力轿车传动体系互连图。引擎（ICE）、接连可变变速箱（CVT）、永磁同步马达（PMSG）或混合动力轿车的初级电源、永磁同步马达（PMSM）或混合动力轿车的推动负载都是图中所示体系的要害组件。
在这个模型中，柴油机是混合动力轿车的首要动力源，直流电池是次级动力源。办理操控体系（SCS）依据电池电量状况（SOC）和马达负载来操控这两个动力源供给的动力份额。
事实上，在这种串联型混合动力轿车中，DC-link电压将按捺条件施加于与单位调制指数对应的PMSM和PMSG的抱负作业区，这样体系就能防止呈现导致信号失真并下降体系功率的过调状况。将调制指数坚持挨近1，能够前进传动体系中电源电路的总功率，然后最大极限地前进逆变器和整流器的功率，而开关进程是其功率丢失的首要因素，因而下降开关电压能够前进功率。
这种能够最大极限削减功率丢失的继续永久零压开关（ZVS）机制最适宜具有高混合因子（HF）的轿车，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轿车中的燃油耗费。
轿车逆变器
主电源逆变器操控着电力传动体系中的马达，是混合动力轿车/电动轿车中的一个重要设备。电源逆变器就像引擎轿车中的发动机办理体系（EMS）相同决议着驾驭行为。这种逆变器适用于任何马达，比方同步、异步或无刷马达，由整合的电子PCB操控。这块PCB板是轿车制作商专门规划的，用于最大程度地削减开关损耗，以及最大化地前进热功率。逆变器的其他功用是捕获再生制动开释的能量，并回馈给电池充电。混合动力轿车/电动轿车的行进间隔与主逆变器的功率直接相关（图5）。
图5 混合动力轿车/电动轿车中的英飞凌主逆变器结构图。（图片来历：英飞凌）
双电压电池体系
办理好混合动力轿车和电动轿车中的电池要求运用高压技能。结合了12V和48V电池的双电压体系需求双向的直流/直流转化，如图6所示，意图是维护电路，支撑架构化功用。
图6 48V到12V的双向直流/直流转化器。
别的，轿车架构规划中一般有一个单相的3.5kW或7kW板载充电器模块（OBCM），用于从电网给电动轿车或插电式混合动力轿车（PHEV）充电。反之，电动轿车和插电式混合动力轿车能够用作动力，也可整合可再生动力的智能电网中以用作储能设备。智能电网作业时考虑到给电动轿车和插电式混合动力轿车智能充放电，这也是OBCM有必要是双向直流/直流充电器的原因。
这种规划的最佳架构是升压系列谐振双向拓扑，如图7所示。它作业在谐振频率之上，具有零压开关功用，在最小开关频率点具有最大的功率传送功能。与单向电源流转化器比较，这种技能用MOSFET整流器代替了二极管整流器。这种处理计划也具有较高的功率和较宽的电池容量。图7所示的这种架构的一个首要缺陷是整流桥在关断时具有较大的损耗，这一问题在未来的规划中有必要处理。
图7 规划师有时运用调制过的DAB转化器操控简略高频阻隔，这种架构的优势是组件的应力较低；其首要缺陷是，ZVS无法扩展到整个输出规模，特别是在轻负载条件下。这张图显现，升压系列谐振双向转化器是一种更好的架构。
Delphi整合和布线
Delphi整合了本文评论的一切元组件和其他一些混合电动轿车功率电子组件（图8），这令人惊叹。
图8 Delphi在混合动力轿车/电动轿车中完成高度整合。
混合动力轿车/电动轿车中运用适宜的内部衔接器也十分重要（图9）。
图9 混合动力轿车/电动轿车的要害要素是将质量最小化。Delphi在小规程电缆技能、绝缘材料和分量更轻的铜代替品（比方铝或一些特别专有合金）方面有着重要立异。（图片来历：Delphi）
电力车轮驱动体系
《电动轿车运用电动驱动体系的规划与完成（Design and ImplementaTIon of an Electric Drive System for In-Wheel Motor Electric Vehicle Applications）》一文引荐了一种适宜混合动力轿车和电动轿车的马达驱动体系，一种供给核算功能的马达驱动混合动力轿车的Matlab SIMULINK模型已开发成功。两个14kWDC无刷直流马达依据文献规划制作而成，设备在混合动力轿车车轮的轮缘内。
图10 一个后轮的无刷直流马达图。
别的，两个独立驱动的后轮也设备在菲亚特（Fiat）Linea车上。透过对方向盘的视点进行检测，电子操控技能替代了机械差动设备。轿车的电力驱动操控体系和电子操控单元（ECU）之间透过CAN总线进行通讯，电力驱动后轮和%&&&&&%E驱动的前轴之间完成了成功的级联。
这种规划挑选了带会集线圈的无刷直流马达，由于它具有很低的功率分量比和很高的功率，并且简单操控。
图11 车轮轮辋和电动发电机设备中的直接驱动型无刷直流马达分化图。
驱动器
无刷直流马达的电力驱动器由一个整合电源模块（IPM）、一个8位的微操控器和一个电子操控体系组成。驱动器软件开发用于IGBT换流操控和脉冲宽度调变（PWM）电压操控。体系具有光耦阻隔、电流和温度维护，并且体系中还嵌入了速度、电流和电压传感器。
综上所述，本文介绍了在电动轿车和混合动力轿车电源办理方面最近几年的一些开展效果。往后必然还会出现更多的开发效果，进一步改善这些体系，使地球获益。
