金脉电子秦晨:电动车2.0时代,高压系统关键技术的影响与变革思考

NE时代新能源 更新于2022-10-11 03:01:00

2022年9月21-22日,由NE时代主办,巨力自动化总冠名,巨一动力、中车时代电气、华域电动、上海电驱动战略合作,华为数字能源、智新科技生态合作的“2022(第二届)全球xEV驱动系统技术暨产业大会”在上海嘉定圆满召开。

上海金脉电子科技有限公司技术总监秦晨以《电动车2.0时代,高压系统关键技术的影响与变革思考》为主题进行了分享。

以下为演讲实录:

经过十多年的发展,整个电动车行业已到2.0时代,从电动车的一些控制技术来讲,也在向高集成度、智能化等方向发展。国内各个主机厂不断地有新车型发布,越来越多的新技术被应用到了这些量产的车型中,既包括了800V高压快充,也包括第三代半导体技术。

现在有几大趋势。第一,越来越多的第三代半导体被成功地应用在量产车型当中,此外很多车型因为考虑到支持快速充电,所以整个车辆系统电压也在提高,越来越多的车型从400V系统提升到800V系统。相关元器件的重新开发,比如高压滤波系统从400V变成800V,从整个电池的储能系统来讲也需要有相应的提升。另外,对于功能安全的要求也相应提高,动力电池的电压提升我们认为不应针对某一个单点来进行安全分析,我们更多地建议从系统的角度去考虑整车高压配电系统有哪些需求,这些需求如何被正确地分配到每个控制单元。

我来分享两个案例,一个是BMS相关,另一个是电机控制器相关,这些都是我们近期在碳化硅和高压系统应用当中所碰到的实际问题:

基于碳化硅的电机控制器,往往有一个共性的问题就是振铃。碳化硅的优点是在更宽的电流范围内导通损耗低,有助于提升系统效率;其次它可以实现更高的开关速度,降低开关损耗。开关速度越高,意味着有可能会产生更大的振铃。当开关振铃更大的时候,会造成额外的开关损耗。因为我们本身提高碳化硅的开关速度的目的是为了能够降低开关损耗,如果没有能够有效地抑制振铃或者振铃过大的话,不仅是效率无法提升,反而意味着花了那么大的代价用了价格相对昂贵的碳化硅材料,实际上没有起到所预期的效果。

其次,本身开关振铃通常我们在实测中是30~50M的频率,在高压系统会形成一个额外的EMC噪声源,抑制这个噪声源需要加入一个高压输入滤波器;,为了抑制这个噪声,一级滤波不够,还要加入二极滤波,形成额外的硬件成本,这些是我们尽可能想避免的事情。

第三,对于碳化硅器件来讲,因为振铃的存在可能会导致VgS电压不稳定,碳化硅的栅级稳定性是非常重要的指标;当它不稳定的情况下,碳化硅将无法正常工作,甚至会影响使用寿命。

第四,因为振铃本身能量比较强,所以振铃有可能会干扰碳化硅周边的器件,包括一些驱动器件,和一些传感器的IC,在极端情况下有可能会导致这些周边的器件产生误导动作或者不可逆的失效。

如图所示,在SiC关断的瞬间,电压冲击的峰值可以达到880V,后续振铃持续时间可以达到650纳秒,频率是三十几兆,振铃的赋值最高到了180V。它会引起系统不稳定,而且这里一个黄色的曲线是我们计算出来的,它的开关损耗值完全不一样,本身我们用碳化硅的目的是能够限制它的开关损耗,将开关损耗做到更低的水平。

用碳化硅作为电机控制器主要的功率级的器件,我们希望在提升效率的同时,能够抑制住开关过程中的振铃,这样才能说是充分地利用了碳化硅的特性,成为合理的优化设计。我们认为,对于振铃的抑制建议从以下几方面入手:

第一,掌握不同结构碳化硅的特性以及开关速度边界。因为常见的碳化硅通常有两种结构,不同结构碳化硅的模块开关速度边界不一样,通常有平面、Trench结构的。Trench结构的更容易提高开关速度。

第二,刚才比亚迪的专家提到过模块封装,实际上形成振铃过高的原因一定程度上与高压侧、驱动侧的寄生电感有关系,不同模块的封装形式会导致不同的回路长短;回路过长,相应的寄生电感会更大。如果封装做得好、回路更短,寄生电感会更小,这个有利于振铃抑制。

第三,平衡驱动开关速度以及振铃大小。如果一味地提高开关速度,振铃除了导致额外的开关损耗以外,可能会带来系统的不稳定性等危害,需要在确定的碳化硅模块以及确定的有寄生电感的情况下,做平衡和取舍。

第四,减少驱动芯片和碳化硅芯片距离。这个距离往往会对应驱动侧的寄生电感。

第五,选择合理的驱动正负电压值,在IGBT驱动过程中,常见的是IGBT的负压在-5至-8伏;SiC驱动电压典型来讲是0伏,考虑到可能会有一些振铃问题,往往很多设计者会选择一些负压,比如-2~-3伏,我们也看到有一些设计者考虑到抑制振铃的因素,会把这个负压值设计得很低。我们的理解是,负压过大对于碳化硅器件来讲,将影响其使用寿命。我们认为尽可能不要采用过大的负压加,考虑到抑制振铃的需要,-2~-3伏是比较推荐的负压值。

如图所示,这是我们做过优化以后的振铃情况,可以从关断的过程来看,它的幅值被压到了大概30伏。

下面分享一下我们针对高压BMS中遇到的一些问题。列举了几个最基本的针对高压BMS的设计要求,因为高压BMS电压提高之后,对于整个电池系统它会有更高的绝缘电压、电机间隙等要求。此外,通常电芯单体电压不会有大幅的增加,如果要增加母线电压,比较常见的方式是用更多的电芯,串接数量会增多,对于电芯的电压、温度采样,要重新设计采样的方案,包括诊断的策略。最后常见的对于高压系统、电池系统来说支持超级快充,其相应高压部件都需要做重新设计。

我们之前在一个实际案例中碰到这样一个问题:高压系统出现瞬强冲击电流。对于电池包来讲,电池包的壳体、电芯之间存在等效的寄生电容;电芯的数量越多,这个等效电容越大。在我们遇到的案例中,一个800V高压电池系统的B+B-间的等效电容可以高达273nF。

之前比较典型的上电过程是先闭合主负继电器,再闭合预充继电器,最后再闭合主正继电器;因为要满足各种各样诊断的要求,这种上电顺序导致上电前期的诊断过程会变得麻烦。现在常见的是先闭合预充,然后闭合主负,最后闭合主正。由于存在比较大的寄生电容电容,所以上电的时候,会产生一个瞬间的大冲击电流。我们在实际案例中检测到的最大伏值到了182安培,这对高压系统来讲会形成非常大的冲击。由于电池包内本身有一些跨接的母排,跨接母排上面又存在一些寄生电感,跨接母排的寄生电感可以达到有250nF左右。上电过程中的瞬强从机电流作用在这个寄生电感上,会形成非常高的冲击电压,这个冲击电压会从电池包的负端进入到BMS的采样均衡板。这个案例由于产生了这样的尖峰,在寄生电感的作用下,产生了一个电压尖峰,最后冲击到了BMS的采样均衡板,导致了AFE芯片损坏。

并不是单纯由于电池包内273nF的寄生电容引起了这样一个尖峰。在当时这个案例里面,整车的等效电容测下来最大到了1.4uF,这是非常大的指标;因为在电机控制器、OBC、DC-DC等等,所有这些高压部件里面,大部分都会有Y电容。因为在很多的零部件厂商都会基于原有的要求,去回用原来的设计。他们的Y电容并没有针对整个系统优化。我们觉得比较合理的Y电容应该控制到几百nF。

针对瞬强冲击电流的系统防护有几种方式,一种是通过增加一些TVS管,当AFE芯片端出现过压的时候,保护AFE芯片。这种方式会增加额外系统的成本,这是我们所不希望看到的。当然系统现有设计无法变更的情况下,这个可以是一个解决问题的措施。我们会建议尽可能去降低这个冲击电流,降低冲击电流有几种方式,单纯从BMS本身来讲是无法降低冲击电流的,它需要整个系统的配合。一个是需要降低整个高压系统的Y电容,包括电机控制器里面的、DC-DC里面的;同时降低电池包里面的寄生电容。如果电芯本题无法优化,电池包的水冷板无法优化的情况下,比较多的情况是从系统角度考虑,优化一些除了电池包以外的一些高压电器的Y电容。

其次,电池包设计的过程中需要考虑母排,或者铜排的设计,尽可能降低寄生电感。因为没有出现尖峰的情况下,寄生电感对于系统的危害可能不是那么得明显,但寄生电感如果能达到接近200nh的水平,一旦出现了这样的尖峰,就有可能会对整个系统串入一个不可接受的干扰。

另外,整个上电策略需要做优化。因为三个继电器不同上电的顺序、上电的策略,这个是可以减缓冲击电流或者对冲击电流进行很大的优化。如图所示是我们做了一些调整和优化以后的冲击电流的波形,可以看到红线对应的是冲击电流,它的伏值大概只有24安,抑制了6倍。24安培的电流冲击,即便是我在一样的寄生电感来讲,我对于系统的冲击也比较小,有可能不需要增加额外的TVS,也可以保证AFE芯片在上电过程中不会引发失效。

以上是我们对于BMS和MCU两个具体的案例的一些经验分享。刚才针对BMS怎么样解决问题的时候,我们也提到过了。如图所示,对于系统来讲,要么增加成本或者采用额外的防护措施,可以达到这个效果,但是系统设计不会太优化,从一台整车来讲,所有的高压部件大部分在动力系统,少量的会在车身部分,比如像空调。在动力系统来讲,跟高压相关的主要是MCU、BMS。

同时我们结合V模型的电子开发流程,第一步先是整车高压相关系统的识别,哪些零部件接入高压系统,哪些会产生Y电容,整车Y电容总共能接受多大。因为Y电容会在特定的上电实施下,产生相应的冲击,这个部分需要按照系统计算。同样,我们要按照不同的功能进行划分,再结合PDU、配电箱的情况下,对于一些高压部件,可能在高压上电的时候不会直接得电,Y电容的影响可能会比较小,我们需要进行功能域的划分,把高压需求进行分解,最终得到电池包和MCU电驱动系统的设计要求。之后将系统要求细化到每个单元设计,比如对于BMS的设计要求到底是什么,在AFE需要加一个什么保护,用一个什么样的Y电容满足它的设计要求。

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