模块化多电平逆变器：将直流电转换为交流电

保时捷Engineering 开发了用于电动汽车的“交流电池”概念，它将众多组件组合在一个部件中。它由标准化的控制单元概念控制，具有特别强大和实时能力的计算平台。该系统是作为可行性研究的一部分开发的，在测试台上进行了测试，并在车辆中进行了演示。

电动汽车的驱动系统通常由单独的组件组成：带有电池管理系统的高压电池、用于控制电动机的电力电子设备和用于使用交流电源充电的车载充电器。电力电子设备使用脉冲逆变器将高压电池的直流电压转换为牵引电机的正弦三相交流电压。

这种结构已经证明了它在当前车辆中的有用性，但将来可能会进一步改进。“汽车行业的趋势是高度集成的组件，”保时捷工程公司专业项目经理 Thomas Wenka 说。“这在外壳尺寸、重量和成本降低、可靠性和效率方面开辟了新的可能性。”作为可行性研究的一部分，保时捷工程公司的开发团队利用组件的高集成度开发了交流电池系统。它将电池管理系统、脉冲逆变器、低压 DCDC 和车载充电器等通常独立的功能集成到一个组件中。

在这项研究中，保时捷工程集团的开发人员将电驱动的高压电池分为 18 个单独的电池模块，分布在三个阶段。它们可以通过功率半导体开关单独控制。各个电池模块作为分布式实时系统灵活互连到模块化多电平串联并联转换器 （MMSPC） 中，可实现电压曲线的动态建模，从而可以直接从电池模块的直流电压产生电机的正弦三相交流电压。“使用 MMSPC，既可以在驾驶时直接控制电动驱动电机，也可以直接连接到交流电网为电池充电，”保时捷工程专业项目经理 Daniel Simon 解释道。

众多技术优势

其他优点包括更容易扩展到各种传动系统变体，以及在维修期间或发生事故时更安全地处理载流部件。“然后 MMSPC 关闭，系统有效地恢复到其各个模块，这意味着仍然只能测量模块电压，”Wenka 说。此外，如果单个电池单元可能存在缺陷，则由于智能控制系统会绕过受影响的电池模块，因此故障保护功能会增加。这使得在降低功率的情况下实现到最近的车间的所谓跛行回家功能成为可能。使用传统电池时，这会导致车辆故障。交流电池的概念还为通过脉冲充电实现快速充电能力提供了技术潜力。

实施交流电池概念的一个主要挑战是开发一个强大而快速的中央控制单元，该单元可以精确控制各个电池模块。Simon 说：“在正弦波建模中，电池模块的动态重新配置是通过底层分布式系统实现的，该系统必须满足所有情况下的实时要求。“毕竟，延迟切换模块会导致电池组和相关电力电子设备出现缺陷。”

实时计算平台

在推出交流电池概念的同时，保时捷工程集团的电子专家还开发了一种控制单元，该控制单元具有特别强大的实时、统一和高度集成的计算平台。交流电池的各个功能，例如电机和电池管理以及充电功能，都在其上并行运行。控制单元平台由两个元件组成，一个是项目特定的基板，另一个是独立于项目的系统模块形式的计算单元，具有与基板的统一接口。

“处理单元代表一个异构多处理器平台，并作为单个片上系统运行。它结合了现场可编程门阵列 （FPGA）（一种带有可编程硬件的集成电路），用于对系统的实时能力进行数据控制和监控，并结合了一个强大的多核处理器，用于在单个组件中处理大量数据，“Simon 解释道。

“FPGA 可以接管复杂的计算，以减轻处理器的负担并补充缺失的外设，与通常的纯微控制器解决方案相比，这在可扩展性和灵活性方面具有显著优势。通过选择片上系统系列中的衍生产品，性能可以从基本的 ECU 要求（如 I/O 驱动、通信网关或电力电子设备）扩展到具有额外 GPU 和视频编解码器要求的复杂 ADAS 系统。

该方法的一个特点是控制单元功能的以软件为中心实现。“一个部件在处理器上运行，该处理器使用 FPGA 进行快速控制和最佳开关策略，并最终同步控制所有模块。这可以通过软件实现动态重配置。然而，要做到这一点，模块上的电力电子设备必须实施这种开关策略，“Simon 说。“通过使用 CPU 和 FPGA 的片上系统方法，我们实现了普通微控制器无法实现的硬实时功能。”

保时捷工程集团与新的控制单元平台一起，在各种原型中实施了交流电池的概念，并在测试台上成功进行了测试。该系统还被集成到测试车辆中，以演示其基本功能。“开发新的控制单元平台对于交流电池来说是绝对必要的。然而，由于它可以灵活调整，它已成为一个将继续的独立项目，“Wenka 说。对于新项目，系统级模块和一些相关软件可以重复使用，并且基板的功能可以轻松升级，以包括所需的硬件功能和接口。

因此，控制单元可以灵活地适应新的要求，因此适用于所有需要高计算能力和实时能力的应用，并且在正在进行的项目中，要求仍然可能发生变化。Simon 解释说：“这使得控制单元系统级模块上的片上系统独立于项目的组合也可以很好地处理其他复杂任务，这使其成为原型开发功能原型平台的不错选择。

与传统原型 ECU 相比，其优势包括更快的功能开发，仅举一个例子：硬件提供了高计算储备，基础软件和现有软件块可以用作控制单元开发的非常好的起点。“目前计划在保时捷工程公司最初使用新的控制单元平台进行原型开发，”Wenka 报道。“然而，原则上，这个概念也适用于稍作修改的系列应用。”