电动车为什么需要前装应急电源？

尽管车辆母线电压在不断提高,汽车级认证耐压高达900V的器件也已接踵而至,而且不使用光耦器,可以实现更高输出精度,动态响应特性又非常好,有助于满足有功能安全要求的牵引逆变器应急电源的需求。

文︱立厷

图︱网络

凡是驾龄长些的老司机都遇到过电瓶没电或电压太低打不着车的尴尬,要么需要叫救援,要么找人搭电。不管是燃油车还是电动车都会发生这样的情况。即使是特斯拉,也和所有汽油车一样,有一个12V小电池(俗称电瓶)。看看特斯拉的手册即可知道,那是一块铅酸电池。

图:仪表盘这个灯是车都有

遇到过电瓶问题的老司机可能都会上网买个应急电源放在后备箱里,以备不时之需。不过,我这里要聊的可不是连后装都算不上的应急电源,而是ISO 26262标准整车电源功能安全要求的前装应急电源或备用电源。

为什么需要应急电源

即使是纯电动车,除了动力电池外还有一个12V电瓶,动力电池是为高压电气系统供电的蓄电池,主要用来驱动汽车电机,如起动、加速,能够深循环使用,给大功率子系统供电,而低压电气系统就要靠12V电瓶供电,如各种车载12V电器,这样可以省去电压转换。

此外,12V电瓶需要在车辆未启动前、遇到紧急情况熄火时为各子系统供电,包括刹车、气囊传感器、速度传感器、仪表盘、灯光、方向盘助力、继电器、中控锁等,为的是保证安全。

对于燃油车(非混动),发动机熄火后最多可以再踩一脚刹车,之后就没有了刹车(踩不下去)。正常情况下,电汽车的刹车系统是相对独立的,优先级很高,踩下刹车踏板就会产生制动力。即使在熄火状态下,刹车系统也是工作的,只不过没有助力。

此外,在车辆保养维护时,需要母线电压处于SELV(安全低压)状态,以免电池高电压对工作人员造成人身危害,这时用应急电源供电,车内就不会存在高压。

既然12V电瓶这么重要,它罢工了该怎么办呢?是不是应该有一个备份呢?ISO 26262规定,如果12V电瓶的电放光了,不能完成驱动,方向盘不能转,连刹车都没有是不允许的,所以公路用车必须满足功能安全要求。即使12V电池坏了,无法供电,牵引驱动也不能受影响,要有一个应急电源给驱动电路、操作电路和执行器供电。

图:ISO 26262对牵引逆变器性能的规定

你可能会问,要是动力蓄电池出现故障怎么办?事实上这种情况并不少见,这只能找售后维修了,因为那毕竟是纯电动车中最大的部件,必须认真对待。

提高母线电压是大势所趋

电动车一般使用交流电机(如特斯拉是三相交流异步电机),这样才能利用逆变器实现制动能量回收。交流电机的定子绕组等效为一个三相交流电源,可以产生三相交流电,其回馈电流通过逆变器变为直流电反馈给直流动力电池(充电),完成制动能量回收过程。如果使用直流电机,就无法将电动车制动时回收的交流电转换成直流,储存到动力电池中。直流电机主要用在不需要逆变器(能量回收)的电控玩具、两轮或三轮电动车及工业设备等。

那么,为什么要提高母线电压呢?作为家庭乘用电动车代表的特斯拉母线电压是375V到400V。以前,在商用车中(如大巴车),功率要求比较高,母线电压是800V。随着技术进步,近年来一些小型乘用车也在向800V过渡。800V的好处在于:

超快速充电:800V高压电池组及其配套充电设备可以将目前快充130-150kW充电功率提升到350kW,在30分钟内充电至500公里续航里程,或15分钟内获得250公里以上的续航里程,赋予超快充电以接近加油站的体验。

更紧凑的线束和功率电子系统:相比原来的400V电池系统,在800V电压下传输相同功率的电流更小,导线铜损更低,可以降低大功率线束的线径和重量。

易于采用新型功率器件:800V电压系统也在推动功率电子器件从传统硅基IGBT转向碳化硅(SiC)工艺技术。

近年来,800V母线电压的电动车型及其配套的超快速充电技术已悄然出现,例如奔驰AMG Project One超级跑车,虽然是1．6升V6内燃机,却搭载了容量是F1车型四倍的800V高压锂电池组,实现了有4台电动机的大功率混动系统。

再看纯电车型,保时捷Taycan是第一个800V系统车型,其整车重量因提高电压减轻了30公斤,在充电性能、加速性能、续航能力方面都树立了下一代电动力总成系统的标杆,同时也降低了成本。保时捷Mission E也采用了800V高压锂电池快充技术。

奥迪Aicon同样得益于车身底部大容量800V高压锂电池组,其纯电续航里程超过了700公里。3月,大众也发布了支持800V母线电压的新车型Project Trinity。

未来的发展趋势是,汽车制造商已开始考虑采用1000V甚至1200V母线电压。与以前的400V母线电压相比,产生的热损耗将是原来的五分之一。其优势还在于,提高电压可以降低散热,减轻整车重量。

随之而来的新要求是,电源必须能够在高母线电压下安全可靠地工作。根据ISO 26262要求,电动车的动力总成,包括将直流电变成交流电的牵引逆变器、驱动车轮转动的交流电机,都要有在12V电池出现故障时保证动力部分能够工作的应急电源。

怎样实现耐高压应急电源

逆变器是由半桥电路构成的,由门极驱动电路驱动半桥电路的上管和下管(MOSFET),同时还要进行隔离保护。在没有12V母线电压的情况下,总母线电压还在,即400V、800V或1000V,所以应急电源供电来自于总母线电压。

随着母线电压的不断提高,要求应急电源内部的开关MOSFET也要耐受更高的输入电压,必须能够在30V到925V(限于800V母线电压)输入电压范围内工作。之前Power Integrations(PI)已有针对400V母线电压应用的InnoSwitch3-AQ,其内部集成了750V MOSFET,AQ代表经汽车认证的车规级芯片。

现在,InnoSwitch3-AQ的耐压已提升到900V,以应对更高母线电压的需求。PI资深技术培训经理阎金光解释说,隔离式电源有初级和次级,现有方案一般采用PSR(初级侧稳压)控制器 + 800V MOSFET + 叠加场效应晶体管。实际上是两个开关MOSFET(上管和下管)加一个控制器。

为什么不用次级反馈方式呢?他表示,因为汽车应用的工作环境非常恶劣,包括颠簸、温差、湿度变化,使用光耦器的次级反馈特性会受到很大影响,所以传统方案都不用光耦器,而使用PSR方案。PSR的缺点是稳压精度差,不支持多路输出,而且必须用二极管来做次级整流,效率比较低;另外,PSR元件数目多,功耗比较大。

InnoSwitch3-AQ是一种反激电路,耐压已提高到900V,可以满足AECQ100汽车认证要求。加上一个Stack FET,叠加一个开关后,就可以满足800V母线电压应用。初级、次级利用FluxLink? 反馈,实际上是一种次级侧恒压恒流方案。

图:InnoSwitch? 3-AQ基本反激电路

在输出调整率方面,因为是次级稳压,所以无论是负载调整率还是输入电压调整率都可以做到1%至负3%的精度,高精度有助于实现快速动态响应特性。

另外,磁感耦合的FluxLink? 链路连接可以省去光耦,芯片内初级和次级之间两个线圈间距为0．47mm,芯片外部的爬电距离达11mm。这对于汽车应用非常必要,因为汽车是多灰尘、潮湿的环境,安全性要求比较高,除了电气隔离,还有IC封装材料提供加强绝缘,全部产品都通过了4500V的耐压测试。

图:FluxLink磁感耦合方式

相比初级侧检测方案,900V的InnoSwitch3-AQ在次级侧直接监测反馈,优势在于驱动精度更高,不用因前级电路稳压不好而增加后面的DC-DC转换,避免降低效率和增加成本。汽车中温度很高,车内环境温度可高达85℃,要求足够高的电源效率。StackFET则增加了设计灵活性,有利于改善高压MOSFET的应力和温升特性。由于是次级侧检测,多路输出非常容易,还可以用同步整流改善效率。

采用Stack FET可以满足925V的母线电压,只要使用不同的Stack FET配合InnoSwitch3-AQ,就可以应对不同母线电压需求。DC输入电压可以是500V到1200V,在上面叠加MOSFET,用两个MOSFET串联以增加耐压。在InnoSwitch3-AQ上面可以再加一个MOSFET,其耐压可以根据需要选择,如800V、900V、1000V、1200V,从而提高上管耐压。

选用不同耐压的MOSFET可以扩展方案,实现不同的输入电压范围。如果采用更高耐压的MOSFET,甚至可以支持1700V的VDS电压。

图:支持高达1700V的VDS电压的方案

汽车中可用空间比较有限,电气部分的逆变器、电源的空间很狭窄,所以必须把电路板做得高效、紧凑。Stack FET可以适应更宽的输电范围,减少元件数目,实现非常简洁的电路板,同时提升电源可靠性。

图:元件数目很少的参考样板

在效率方面,该方案满载400VDC的效率可以做到87%,如果输入电压为1250V,也能够达到75%的效率。看上去75%不是很高,但如果用PSR方案满载效率只有60%左右,差十几个点,因为高输入电压决定了很难把PSR效率做得更高。

图:高效率和低热损特性

虽然电动车空载功耗往往不那么重要,但如果把车停在那里两个月之久,实际上是在释放电池电力,会影响电池寿命;即使应急电源没有工作,但空载功耗对于整车的电池寿命也是有影响的。InnoSwitch3-AQ的空载功耗非常低,在800V时小于36mW。

图:极低的空载输入功率

期待以前装代替搭电

目前,大多数车辆的12V电瓶没电或电压太低时,都要使用外接应急电源或找另一辆车搭电,因为这时牵引逆变器门级无法驱动车辆动力传动系统。车辆前装应急电源就可以解决这个问题。

尽管车辆母线电压在不断提高,汽车级认证耐压高达900V的器件也已接踵而至,而且不使用光耦器,可以实现更高输出精度,动态响应特性又非常好,有助于满足有功能安全要求的牵引逆变器应急电源的需求。