Porsche開發模組化多階段逆變器，能將直流電池轉換為交流電

Written by: Bear

Porsche Engineering為電動車開發了「交流電池」(AC battery)的新概念，將眾多元件整合到一個部件中。它由標準化的控制單元概念控制，具有特別強大和即時能力的計算平台。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，並在車輛中進行了演示。電動車的驅動系統通常由單獨的元件組成：帶有電池管理系統的高壓電池、用於控制電動馬達的電力電子設備，以及用於使用交流電源充電的車載充電器。電力電子設備使用脈衝逆變器將高壓電池的直流電壓轉換為牽引電動馬達的正弦三相交流電壓。這種架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。

Porsche Engineering專業項目經理Thomas Wenka說，「汽車行業的趨勢是高度集成的元件。這在外殼尺寸、重量和成本降低、可靠性和效率方面開闢了新的可能性。」

作為可行性研究的一部分，Porsche Engineering的開發團隊利用元件的高集成度開發了交流電池系統。它將電池管理系統、脈衝逆變器、低壓DCDC，以及車載充電器…等通常獨立的功能整合到同一個元件中。

在這項研究中，Porsche工程集團的開發人員將電驅動的高壓電池分為18個單獨的電池模組，分佈在三個階段。它們可以透過功率半導體開關單獨控制。各個電池模組作為分散式即時系統靈活互連到MMSPC模組化多電平串聯並聯轉換器(Modular Multilevel Series Parallel Converter)中，可實現電壓曲線的動態建模，從而可以直接從電池模組的直流電壓產生電動馬達的正弦三相交流電壓。

Porsche工程專業專案經理Daniel Simon解釋道，「使用MMSPC，既可以在行駛過程直接控制電動馬達，也可以直接連接到交流電網為電池充電。」

眾多技術優勢

其他優點包括更容易擴展到各種傳動系統的衍生，以及在維修期間或發生事故時更安全地處理載流部件。若MMSPC關閉，系統可有效地恢復到其各個模組。此外，如果單個電池單元可能存在缺陷，則由於智慧控制系統會繞過受影響的電池模組，因此故障保護功能會得到增加。這使得在降低功率的情況下實現到最近的維修廠的所謂「跛行回家」功能成為可能。然而，若使用傳統電池時，這會導致車輛故障。交流電池的概念還為透過脈衝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組。Simon說，「在正弦波建模中，電池模組的動態重新配置是透過底層分散式系統實現的，該系統必須滿足所有情況下的即時要求。畢竟，延遲切換模組會導致電池組和相關電力電子設備出現缺陷。」

即時計算平台

在推出交流電池概念的同時，Porsche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即時、統一和高度集成的計算平台。交流電池的各個功能，例如：電動馬達和電池管理以及充電功能，都在其上並行運行。控制單元平台由兩個元件組成，一個是專案特定的基板，另一個是獨立於專案的系統模組形式的計算單元，具有與基板的統一介面。

處理單元代表一個異構多處理器平台，並作為單個片上系統運行。它結合了FPGA場域可程式設計門陣列(Field-programmable gate array)，這是一種帶有可程式設計硬體的積體電路，其用於對系統的即時能力進行數據控制和監控，並結合了一個強大的多核處理器，用於在單個元件中處理大量數據。

FPGA可以接管複雜的計算，以減輕處理器的負擔並補充缺失的外設，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。透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(例如：I/O驅動、通信閘道或電力電子設備)擴展到具有額外GPU和影像編解碼器要求的複雜ADAS 系統。該方法的一個特點是控制單元功能的以軟體為中心實現。

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，並最終同步控制所有模組。這可以透過軟體實現動態重配置。然而，要做到這一點，模組上的電力電子設備必須實施這種開關策略。透過使用CPU和FPGA的片上系統方法，可實現了普通微控制器無法實現的硬即時功能。

Porsche工程集團與新的控制單元平台一起，在各種原型中實施了交流電池的概念，並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。對於新專案，系統級模組和一些相關軟體可以重複使用，並且基板的功能可以輕鬆升級，以包括所需的硬體功能和介面。因此，控制單元可以靈活地適應新的要求，因此適用於所有需要高計算能力和即時能力的應用，並且在正在進行的專案中，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組上的片上系統獨立於項目的組合也可以很好地處理其他複雜任務，這使其成為原型開發功能原型平台的不錯選擇。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：硬體提供了高計算儲備，基礎軟體，以及現有軟體塊，可以用作控制單元開發的非常好的起點。目前計劃在Porsche Engineering最初使用新的控制單元平台進行原型開發。然而，原則上，這個概念也適用於稍作修改的系列應用。」