模塊化多電平逆變器：將直流電轉換為交流電

保時捷Engineering 開發了用于電動汽車的“交流電池”概念，它將眾多組件組合在一個部件中。它由標準化的控制單元概念控制，具有特別強大和實時能力的計算平臺。該系統是作為可行性研究的一部分開發的，在測試臺上進行了測試，并在車輛中進行了演示。

電動汽車的驅動系統通常由單獨的組件組成：帶有電池管理系統的高壓電池、用于控制電動機的電力電子設備和用于使用交流電源充電的車載充電器。電力電子設備使用脈沖逆變器將高壓電池的直流電壓轉換為牽引電機的正弦三相交流電壓。

這種結構已經證明了它在當前車輛中的有用性，但將來可能會進一步改進。“汽車行業的趨勢是高度集成的組件，”保時捷工程公司專業項目經理 Thomas Wenka 說。“這在外殼尺寸、重量和成本降低、可靠性和效率方面開辟了新的可能性。”作為可行性研究的一部分，保時捷工程公司的開發團隊利用組件的高集成度開發了交流電池系統。它將電池管理系統、脈沖逆變器、低壓 DCDC 和車載充電器等通常獨立的功能集成到一個組件中。

在這項研究中，保時捷工程集團的開發人員將電驅動的高壓電池分為 18 個單獨的電池模塊，分布在三個階段。它們可以通過功率半導體開關單獨控制。各個電池模塊作為分布式實時系統靈活互連到模塊化多電平串聯并聯轉換器 （MMSPC） 中，可實現電壓曲線的動態建模，從而可以直接從電池模塊的直流電壓產生電機的正弦三相交流電壓。“使用 MMSPC，既可以在駕駛時直接控制電動驅動電機，也可以直接連接到交流電網為電池充電，”保時捷工程專業項目經理 Daniel Simon 解釋道。

眾多技術優勢

其他優點包括更容易擴展到各種傳動系統變體，以及在維修期間或發生事故時更安全地處理載流部件。“然后 MMSPC 關閉，系統有效地恢復到其各個模塊，這意味著仍然只能測量模塊電壓，”Wenka 說。此外，如果單個電池單元可能存在缺陷，則由于智能控制系統會繞過受影響的電池模塊，因此故障保護功能會增加。這使得在降低功率的情況下實現到最近的車間的所謂跛行回家功能成為可能。使用傳統電池時，這會導致車輛故障。交流電池的概念還為通過脈沖充電實現快速充電能力提供了技術潛力。

實施交流電池概念的一個主要挑戰是開發一個強大而快速的中央控制單元，該單元可以精確控制各個電池模塊。Simon 說：“在正弦波建模中，電池模塊的動態重新配置是通過底層分布式系統實現的，該系統必須滿足所有情況下的實時要求。“畢竟，延遲切換模塊會導致電池組和相關電力電子設備出現缺陷。”

實時計算平臺

在推出交流電池概念的同時，保時捷工程集團的電子專家還開發了一種控制單元，該控制單元具有特別強大的實時、統一和高度集成的計算平臺。交流電池的各個功能，例如電機和電池管理以及充電功能，都在其上并行運行。控制單元平臺由兩個元件組成，一個是項目特定的基板，另一個是獨立于項目的系統模塊形式的計算單元，具有與基板的統一接口。

“處理單元代表一個異構多處理器平臺，并作為單個片上系統運行。它結合了現場可編程門陣列 （FPGA）（一種帶有可編程硬件的集成電路），用于對系統的實時能力進行數據控制和監控，并結合了一個強大的多核處理器，用于在單個組件中處理大量數據，“Simon 解釋道。

“FPGA 可以接管復雜的計算，以減輕處理器的負擔并補充缺失的外設，與通常的純微控制器解決方案相比，這在可擴展性和靈活性方面具有顯著優勢。通過選擇片上系統系列中的衍生產品，性能可以從基本的 ECU 要求（如 I/O 驅動、通信網關或電力電子設備）擴展到具有額外 GPU 和視頻編解碼器要求的復雜 ADAS 系統。

該方法的一個特點是控制單元功能的以軟件為中心實現。“一個部件在處理器上運行，該處理器使用 FPGA 進行快速控制和最佳開關策略，并最終同步控制所有模塊。這可以通過軟件實現動態重配置。然而，要做到這一點，模塊上的電力電子設備必須實施這種開關策略，“Simon 說。“通過使用 CPU 和 FPGA 的片上系統方法，我們實現了普通微控制器無法實現的硬實時功能。”

保時捷工程集團與新的控制單元平臺一起，在各種原型中實施了交流電池的概念，并在測試臺上成功進行了測試。該系統還被集成到測試車輛中，以演示其基本功能。“開發新的控制單元平臺對于交流電池來說是絕對必要的。然而，由于它可以靈活調整，它已成為一個將繼續的獨立項目，“Wenka 說。對于新項目，系統級模塊和一些相關軟件可以重復使用，并且基板的功能可以輕松升級，以包括所需的硬件功能和接口。

因此，控制單元可以靈活地適應新的要求，因此適用于所有需要高計算能力和實時能力的應用，并且在正在進行的項目中，要求仍然可能發生變化。Simon 解釋說：“這使得控制單元系統級模塊上的片上系統獨立于項目的組合也可以很好地處理其他復雜任務，這使其成為原型開發功能原型平臺的不錯選擇。

與傳統原型 ECU 相比，其優勢包括更快的功能開發，僅舉一個例子：硬件提供了高計算儲備，基礎軟件和現有軟件塊可以用作控制單元開發的非常好的起點。“目前計劃在保時捷工程公司最初使用新的控制單元平臺進行原型開發，”Wenka 報道。“然而，原則上，這個概念也適用于稍作修改的系列應用。”