混合动力汽车的功率器件和管理方面需面临哪些挑战？

混合动力汽车(HEV)市场的增长在很大程度上取决于每加仑/英里这一能耗指标及追加投入的每个硬币所带来的好处以及混合系统现场的可靠性。消费者将混合汽车与标准汽车进行比较，并期待在整体更低拥有成本的前提下起码具有同样的性能和可靠性。混合汽车增加的成本必须在拥有期间通过节省燃料和维护成本得到回报。

用在HEV中逆变器和dc-dc转换器中的功率模块和其内的功率器件是主要的性能、可靠性和成本驱动器。效率、功率密度和特定功率是一些关键性能指标。最重要的可靠性规范是热循环和功率循环。

混合动力汽车的分类

在混合汽车驱动系统中，需将一或几个电机与燃烧引擎一起使用。可根据混合程度和系统架构对混合汽车进行分类。可被分为微(micro)级、轻度(mild)级和完全(full)级的混合程度决定电机执行的功能。该分类还决定所需的功率级及优选的系统架构。

串行、并行和功率分配是最常用的架构。对一款特定车辆来说，混合程度和系统架构的选择主要取决于所需的功能、车辆大小、行驶年限及设定的燃油经济性指标。每个混合系统的功率电子内容各不一样，它取决于功能、功率要求和架构。

当仅需要启动-停止功能时(例如旅行车场合)，用一个集成起动器/交流发电机系统代替了起动器和交流发电机的并行微混合的方法就很通用。在这些系统中，电压和功率等级相对较低，其油耗的改进在10%左右。

除启动-停止功能外，当需要时，一个轻度混合系统可提升/辅助引擎功率，另外，它还从再生制动中获取能量，从而可将油耗的改进提升到15%左右。增加的功能需要更高的能耗，所以要采用高压器件(80V 到600V)。

若以完全电子模式运行车辆，则需要一个具有高压和大电流能力的完全混合系统。根据应用，完全混合系统可具有串行、并行和功率分配架构，它可将油耗降低35%。

HEV系统中功率电子面临的挑战

HEV系统中的功率电子需高效地将能量从dc转至ac(电池到电机)、从ac转至dc(发电机到电池)及从dc 到dc(对升压转换器来说，是从低的电池电压到高的逆变器输入电压;对降压转换器来说是从高压电池到低压电池)。因在该能量转换中，要对高压和大电流进行开关，所以需采用具有最低损耗的功率器件技术。对较低的系统电压和电流来说，MOSFET技术比IGBT有更好的功率密度，它们用在微混合应用中。对轻度混合应用来说，当系统电压高于120V时，IGBT是首选器件。对全混合应用来说，600V到1200V的IGBT是使用的唯一器件。

一般来说，传统的NPT IGBT在导通损耗和开关损耗特性间有一个平衡。若导通损耗降低则开关损耗增加。英飞凌的沟道FieldStop IGBT及配套的EmCon二极管技术与传统器件相比，在增加芯片电流密度的同时减小了导通和开关损耗。通过采用一个场截止(fieldstop)层来得到更低损耗，该层减小了器件厚度并降低了通过器件的压降。图1显示了平面和沟道器件所用不同IGBT技术的截面层。另外，Field-Stop器件可连续工作在150 °C(最高175 °C)的结温度，该特性强化了芯片电流密度并使采用更高的冷却温度变得更容易。

嵌放在一个便利封装内的功率模块可承受极端温度环境、震动及其它恶劣环境条件。除器件工作引起的温度变化外，环境温度变异及车内产生的振动带来可靠性挑战。在混合汽车应用中功率模块预期的使用寿命是15年/15万英里，所以在设计该模块时，要使其能具有期望的可靠性。例如，在某些情况，更高的器件性能会对模块的稳定性产生不良影响。从器件技术的角度讲，某些功率器件可工作于高的结温度，但该更高的结温度会在线绑定接口产生更高温度，从而降低模块功率周期的稳定性。因此，需建立一整套全面的器件和封装技术规范来优化性能、可靠性和成本。

混合车用功率半导体模块

应用需要功率模块具有高电流密度，这也就意味着每单位电流容量具有更小的体积。器件越小，包纳其于其内的底层也就越小，结果就得到一个模块虽小但功率密度更高的模块。图2显示的是英飞凌预期的1200V器件体积的减小情况。显然，与NPT器件相比，FieldStop器件显著缩小了体积。

新能源汽车研发中面临的主要挑战

然而由于与传统汽车在结构和工作原理上有巨大区别，在新能源汽车的设计研发环节，汽车工程师面临着诸多挑战，关键部件包括动力电池组、牵引电动机及发电机、功率电子器件等，除了这些关键部件的设计中涉及到复杂的物理问题之外，还存在系统集成时电磁部件之间的电磁兼容/电磁干扰等问题。

汽车NVH性能、轻量化、安全性研究也是新能源汽车研发时必须考虑的因素。

1.电池组

在混合动力汽车和纯电动汽车中，电池组是车辆最主要的动力来源，同时也为众多的电动辅助系统提供能量。因此电池组的可靠性、耐久性、安全性、工作效率等指标将直接关系到车辆动力性能。在设计电池组的时候，在保证高水平容量和输出功率的基础上，工程师还必须考虑热、结构、电磁因素对电池组及电池单体的影响。

电池组在充、放电的时候会产生热，长时间工作在比较恶劣的热环境中，将会缩短电池使用寿命、降低电池性能。电池组内部单体之间温度分布不均匀导致温差过大，就会形成有害的电流回路也会缩短电池的寿命。要管理电池组发热问题，就需要根据电池组内部温度场分布来设计一个风冷或水冷的冷却系统，而设计高效的冷却系统则涉及到传热学和流体动力学等知识。

电池组的安装位置、结构分布会影响车内空间大小，在一系列驾驶条件下，电池组不同的安装位置还会影响其所受各种应力，这时候需要考虑是否会引发安全问题，一旦电池结构被破坏可能释放出有毒酸液对乘客造成危险。在外加热、过充、过放、针刺、重压及外部短路等多种工况变化情况下，电池组能否安全保证工作性能也是需要研究的。

2.电动机

电动机是新能源汽车驱动系统中必不可少的部分，它决定了将多少蓄电池的电能转化为机械能来驱动车辆运行，消费者都期望汽车具有高燃油效率，它在很大程度上影响了消费者的购买决策。而电动机工作效率与其电磁特性密切相关，因此研究电磁问题、设计出高效率的电动机是新能源汽车电气传动系统研发最重要的挑战之一。

此外，混合动力和纯电动汽车所用的牵引电动机可能面临非常严苛的工作环境，电动机持续工作在极端温度条件、剧烈振动、大工作循环及崎岖路面条件下。在混合动力汽车中，电动机还受发动机产生的高温影响。这些因素要求电动机必须具有很高的可靠性和安全性。

3.电力电子器件

在新能源汽车的电气传动系统中，电力电子器件精确地控制着蓄电池与牵引电动机、发电机之间的能量传输，并根据路况和驾驶员指令做出逻辑判断来调节电气传动系统。电力电子器件根据传感器监测到的位置、速度、温度等反馈信号，严格控制着蓄电池提供给牵引电动机的电能，为了保证汽车在各种驾驶条件下都能以最高效率工作，电力电子系统必须具备良好的性能。

与电池组一样，热管理也是新能源汽车电力电子设计所关注的一个主要问题。由电气传动系统传递到车轮和再生制动充入电池的所有能量都需要通过电力电子器件完成，因此即使电子器件极微小的功率损失也能产生大量的热。

不同工作环境下，电力电子系统中产生的热量都需要严格控制并做好散热，避免电子元器件及其周边部件的热损坏。这需要对电力电子器件中的电磁损耗做精确计算并研究出相关的散热方式。为了确保最有效的冷却，还要根据电力电子系统具体情况进行散热路径设计。

除了热管理，新能源汽车中电力电子控制逻辑也是需要严格设计的，在不同的驱动工况下对电气传动动力集成部件及系统进行优化。

4.电磁兼容

电磁兼容性是指设备或者系统在其电磁环境中能正常工作，而且不对该环境中其它任何事物构成不能承受的电磁骚扰。新能源汽车中应用了高压和大电流的大功率电子变换装置和驱动电机，而且车上的电子电气设备繁多，设备的电磁敏感度也各不相同，整个车辆处于很复杂的电磁环境中。

因此在新能源汽车中，各种电气元件之间的电磁兼容性就成为一个重要的问题，如果不解决这些问题，电磁干扰就会破坏信号传递和检测并影响电动机正常工作，甚至引发安全问题。

为达到电磁兼容性的设计要求，要分析各种电磁干扰源，确定干扰路径和耦合方式，然后根据具体情况采取有效的抑制干扰、消除干扰的措施。必须通过电磁学分析来仔细研究电气元件之间的电磁干扰影响，在电气传动系统逻辑控制中也要考虑。这就需要全面地研究电动机及其周围电磁部件内和周边的电磁场，这些部件在工作时又是相互连通、耦合的，这对电磁兼容性分析、解决电磁干扰问题提出了更高的要求。

5.其它挑战

NVH性能

随着收入水平的提高，消费者越来越看重汽车NVH性能指标(噪音Noise、振动Vibration、平稳Harshness三项，即乘坐“舒适感”)，而对于新能源汽车而言，由于其内部布置、动力总成的结构与振动特性与传统汽车完全不同，不能通过已有经验和方法来研究其动力总成和底盘悬架的振动特性对NVH性能的影响。

在噪音优化方面，还需要分析电池组中电液流动噪声、驱动电机和发电机的转动和振动噪声。

汽车轻量化

轻量化一直是汽车研发中重要的一点，可以提升汽车动力性能和操控性、减少能源消耗和排放物。对于新能源汽车更是如此，降低车重对于延长昂贵的蓄电池组使用寿命、提高能源转换效率有着重大意义。然而受制于蓄电池的高质量密度，新能源汽车的轻量化工作也具有一定难度。

安全性

安全性是汽车研发中不得不考虑的问题，新能源汽车的安全性同样备受关注。但是在新能源汽车的安全性指标上，除了要满足常规的安全碰撞标准之外，还要考虑可能发生的电池燃烧、高压漏电、电磁干扰带来的安全隐患。

传统汽车使用的电池电压只有几十伏，而混合动力汽车或纯电动汽车所用电池电压少则100多伏，多则300多伏，一旦发生漏电对人体的伤害将是致命的。电磁干扰可能导致汽车操控系统失灵，电池燃烧也会导致爆炸，这些都给汽车安全分析提出了更高的要求。