電動(dòng)車為什么需要前裝應(yīng)急電源？用什么實(shí)現(xiàn)？

盡管車輛母線電壓在不斷提高，汽車級(jí)認(rèn)證耐壓高達(dá)900V的器件也已接踵而至，而且不使用光耦器，可以實(shí)現(xiàn)更高輸出精度，動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性又非常好，有助于滿足有功能安全要求的牽引逆變器應(yīng)急電源的需求。

凡是駕齡長些的老司機(jī)都遇到過電瓶沒電或電壓太低打不著車的尷尬，要么需要叫救援，要么找人搭電。不管是燃油車還是電動(dòng)車都會(huì)發(fā)生這樣的情況。即使是特斯拉，也和所有汽油車一樣，有一個(gè)12V小電池（俗稱電瓶）。看看特斯拉的手冊(cè)即可知道，那是一塊鉛酸電池。

圖：儀表盤這個(gè)燈是車都有

遇到過電瓶問題的老司機(jī)可能都會(huì)上網(wǎng)買個(gè)應(yīng)急電源放在后備箱里，以備不時(shí)之需。不過，我這里要聊的可不是連后裝都算不上的應(yīng)急電源，而是ISO 26262標(biāo)準(zhǔn)整車電源功能安全要求的前裝應(yīng)急電源或備用電源。

為什么需要應(yīng)急電源

即使是純電動(dòng)車，除了動(dòng)力電池外還有一個(gè)12V電瓶，動(dòng)力電池是為高壓電氣系統(tǒng)供電的蓄電池，主要用來驅(qū)動(dòng)汽車電機(jī)，如起動(dòng)、加速，能夠深循環(huán)使用，給大功率子系統(tǒng)供電，而低壓電氣系統(tǒng)就要靠12V電瓶供電，如各種車載12V電器，這樣可以省去電壓轉(zhuǎn)換。

此外，12V電瓶需要在車輛未啟動(dòng)前、遇到緊急情況熄火時(shí)為各子系統(tǒng)供電，包括剎車、氣囊傳感器、速度傳感器、儀表盤、燈光、方向盤助力、繼電器、中控鎖等，為的是保證安全。

對(duì)于燃油車（非混動(dòng)），發(fā)動(dòng)機(jī)熄火后最多可以再踩一腳剎車，之后就沒有了剎車（踩不下去）。正常情況下，電汽車的剎車系統(tǒng)是相對(duì)獨(dú)立的，優(yōu)先級(jí)很高，踩下剎車踏板就會(huì)產(chǎn)生制動(dòng)力。即使在熄火狀態(tài)下，剎車系統(tǒng)也是工作的，只不過沒有助力。

此外，在車輛保養(yǎng)維護(hù)時(shí)，需要母線電壓處于SELV（安全低壓）狀態(tài)，以免電池高電壓對(duì)工作人員造成人身危害，這時(shí)用應(yīng)急電源供電，車內(nèi)就不會(huì)存在高壓。

既然12V電瓶這么重要，它罷工了該怎么辦呢？是不是應(yīng)該有一個(gè)備份呢？ISO 26262規(guī)定，如果12V電瓶的電放光了，不能完成驅(qū)動(dòng)，方向盤不能轉(zhuǎn)，連剎車都沒有是不允許的，所以公路用車必須滿足功能安全要求。即使12V電池壞了，無法供電，牽引驅(qū)動(dòng)也不能受影響，要有一個(gè)應(yīng)急電源給驅(qū)動(dòng)電路、操作電路和執(zhí)行器供電。

圖：ISO 26262對(duì)牽引逆變器性能的規(guī)定

你可能會(huì)問，要是動(dòng)力蓄電池出現(xiàn)故障怎么辦？事實(shí)上這種情況并不少見，這只能找售后維修了，因?yàn)槟钱吘故羌冸妱?dòng)車中最大的部件，必須認(rèn)真對(duì)待。

圖：這樣就別開了

提高母線電壓是大勢(shì)所趨

電動(dòng)車一般使用交流電機(jī)（如特斯拉是三相交流異步電機(jī)），這樣才能利用逆變器實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量回收。交流電機(jī)的定子繞組等效為一個(gè)三相交流電源，可以產(chǎn)生三相交流電，其回饋電流通過逆變器變?yōu)橹绷麟姺答伣o直流動(dòng)力電池（充電），完成制動(dòng)能量回收過程。如果使用直流電機(jī)，就無法將電動(dòng)車制動(dòng)時(shí)回收的交流電轉(zhuǎn)換成直流，儲(chǔ)存到動(dòng)力電池中。直流電機(jī)主要用在不需要逆變器（能量回收）的電控玩具、兩輪或三輪電動(dòng)車及工業(yè)設(shè)備等。

那么，為什么要提高母線電壓呢？作為家庭乘用電動(dòng)車代表的特斯拉母線電壓是375V到400V。以前，在商用車中（如大巴車），功率要求比較高，母線電壓是800V。隨著技術(shù)進(jìn)步，近年來一些小型乘用車也在向800V過渡。800V的好處在于：

超快速充電：800V高壓電池組及其配套充電設(shè)備可以將目前快充130-150kW充電功率提升到350kW，在30分鐘內(nèi)充電至500公里續(xù)航里程，或15分鐘內(nèi)獲得250公里以上的續(xù)航里程，賦予超快充電以接近加油站的體驗(yàn)。

更緊湊的線束和功率電子系統(tǒng)：相比原來的400V電池系統(tǒng)，在800V電壓下傳輸相同功率的電流更小，導(dǎo)線銅損更低，可以降低大功率線束的線徑和重量。

易于采用新型功率器件：800V電壓系統(tǒng)也在推動(dòng)功率電子器件從傳統(tǒng)硅基IGBT轉(zhuǎn)向碳化硅（SiC）工藝技術(shù)。

近年來，800V母線電壓的電動(dòng)車型及其配套的超快速充電技術(shù)已悄然出現(xiàn)，例如奔馳AMG Project One超級(jí)跑車，雖然是1.6升V6內(nèi)燃機(jī)，卻搭載了容量是F1車型四倍的800V高壓鋰電池組，實(shí)現(xiàn)了有4臺(tái)電動(dòng)機(jī)的大功率混動(dòng)系統(tǒng)。

圖：奔馳AMG Project One 800V動(dòng)力總成

再看純電車型，保時(shí)捷Taycan是第一個(gè)800V系統(tǒng)車型，其整車重量因提高電壓減輕了30公斤，在充電性能、加速性能、續(xù)航能力方面都樹立了下一代電動(dòng)力總成系統(tǒng)的標(biāo)桿，同時(shí)也降低了成本。保時(shí)捷Mission E也采用了800V高壓鋰電池快充技術(shù)。

奧迪Aicon同樣得益于車身底部大容量800V高壓鋰電池組，其純電續(xù)航里程超過了700公里。3月，大眾也發(fā)布了支持800V母線電壓的新車型Project Trinity。

未來的發(fā)展趨勢(shì)是，汽車制造商已開始考慮采用1000V甚至1200V母線電壓。與以前的400V母線電壓相比，產(chǎn)生的熱損耗將是原來的五分之一。其優(yōu)勢(shì)還在于，提高電壓可以降低散熱，減輕整車重量。

隨之而來的新要求是，電源必須能夠在高母線電壓下安全可靠地工作。根據(jù)ISO 26262要求，電動(dòng)車的動(dòng)力總成，包括將直流電變成交流電的牽引逆變器、驅(qū)動(dòng)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)的交流電機(jī)，都要有在12V電池出現(xiàn)故障時(shí)保證動(dòng)力部分能夠工作的應(yīng)急電源。

怎樣實(shí)現(xiàn)耐高壓應(yīng)急電源

逆變器是由半橋電路構(gòu)成的，由門極驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)半橋電路的上管和下管（MOSFET），同時(shí)還要進(jìn)行隔離保護(hù)。在沒有12V母線電壓的情況下，總母線電壓還在，即400V、800V或1000V，所以應(yīng)急電源供電來自于總母線電壓。

隨著母線電壓的不斷提高，要求應(yīng)急電源內(nèi)部的開關(guān)MOSFET也要耐受更高的輸入電壓，必須能夠在30V到925V（限于800V母線電壓）輸入電壓范圍內(nèi)工作。之前Power Integrations（PI）已有針對(duì)400V母線電壓應(yīng)用的InnoSwitch3-AQ，其內(nèi)部集成了750V MOSFET，AQ代表經(jīng)汽車認(rèn)證的車規(guī)級(jí)芯片。

現(xiàn)在，InnoSwitch3-AQ的耐壓已提升到900V，以應(yīng)對(duì)更高母線電壓的需求。PI資深技術(shù)培訓(xùn)經(jīng)理閻金光解釋說，隔離式電源有初級(jí)和次級(jí)，現(xiàn)有方案一般采用PSR（初級(jí)側(cè)穩(wěn)壓）控制器 + 800V MOSFET + 疊加場(chǎng)效應(yīng)晶體管。實(shí)際上是兩個(gè)開關(guān)MOSFET（上管和下管）加一個(gè)控制器。

為什么不用次級(jí)反饋方式呢？他表示，因?yàn)槠噾?yīng)用的工作環(huán)境非常惡劣，包括顛簸、溫差、濕度變化，使用光耦器的次級(jí)反饋特性會(huì)受到很大影響，所以傳統(tǒng)方案都不用光耦器，而使用PSR方案。PSR的缺點(diǎn)是穩(wěn)壓精度差，不支持多路輸出，而且必須用二極管來做次級(jí)整流，效率比較低；另外，PSR元件數(shù)目多，功耗比較大。

InnoSwitch3-AQ是一種反激電路，耐壓已提高到900V，可以滿足AECQ100汽車認(rèn)證要求。加上一個(gè)Stack FET，疊加一個(gè)開關(guān)后，就可以滿足800V母線電壓應(yīng)用。初級(jí)、次級(jí)利用FluxLink? 反饋，實(shí)際上是一種次級(jí)側(cè)恒壓恒流方案。

圖：InnoSwitch? 3-AQ基本反激電路

在輸出調(diào)整率方面，因?yàn)槭谴渭?jí)穩(wěn)壓，所以無論是負(fù)載調(diào)整率還是輸入電壓調(diào)整率都可以做到1%至負(fù)3%的精度，高精度有助于實(shí)現(xiàn)快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。

另外，磁感耦合的FluxLink? 鏈路連接可以省去光耦，芯片內(nèi)初級(jí)和次級(jí)之間兩個(gè)線圈間距為0.47mm，芯片外部的爬電距離達(dá)11mm。這對(duì)于汽車應(yīng)用非常必要，因?yàn)槠囀嵌嗷覊m、潮濕的環(huán)境，安全性要求比較高，除了電氣隔離，還有IC封裝材料提供加強(qiáng)絕緣，全部產(chǎn)品都通過了4500V的耐壓測(cè)試。

圖：FluxLink磁感耦合方式

相比初級(jí)側(cè)檢測(cè)方案，900V的InnoSwitch3-AQ在次級(jí)側(cè)直接監(jiān)測(cè)反饋，優(yōu)勢(shì)在于驅(qū)動(dòng)精度更高，不用因前級(jí)電路穩(wěn)壓不好而增加后面的DC-DC轉(zhuǎn)換，避免降低效率和增加成本。汽車中溫度很高，車內(nèi)環(huán)境溫度可高達(dá)85℃，要求足夠高的電源效率。StackFET則增加了設(shè)計(jì)靈活性，有利于改善高壓MOSFET的應(yīng)力和溫升特性。由于是次級(jí)側(cè)檢測(cè)，多路輸出非常容易，還可以用同步整流改善效率。

采用Stack FET可以滿足925V的母線電壓，只要使用不同的Stack FET配合InnoSwitch3-AQ，就可以應(yīng)對(duì)不同母線電壓需求。DC輸入電壓可以是500V到1200V，在上面疊加MOSFET，用兩個(gè)MOSFET串聯(lián)以增加耐壓。在InnoSwitch3-AQ上面可以再加一個(gè)MOSFET，其耐壓可以根據(jù)需要選擇，如800V、900V、1000V、1200V，從而提高上管耐壓。

選用不同耐壓的MOSFET可以擴(kuò)展方案，實(shí)現(xiàn)不同的輸入電壓范圍。如果采用更高耐壓的MOSFET，甚至可以支持1700V的VDS電壓。

圖：支持高達(dá)1700V的VDS電壓的方案

汽車中可用空間比較有限，電氣部分的逆變器、電源的空間很狹窄，所以必須把電路板做得高效、緊湊。Stack FET可以適應(yīng)更寬的輸電范圍，減少元件數(shù)目，實(shí)現(xiàn)非常簡潔的電路板，同時(shí)提升電源可靠性。

圖：元件數(shù)目很少的參考樣板

在效率方面，該方案滿載400VDC的效率可以做到87%，如果輸入電壓為1250V，也能夠達(dá)到75%的效率。看上去75%不是很高，但如果用PSR方案滿載效率只有60%左右，差十幾個(gè)點(diǎn)，因?yàn)楦咻斎腚妷簺Q定了很難把PSR效率做得更高。

圖：高效率和低熱損特性

雖然電動(dòng)車空載功耗往往不那么重要，但如果把車停在那里兩個(gè)月之久，實(shí)際上是在釋放電池電力，會(huì)影響電池壽命；即使應(yīng)急電源沒有工作，但空載功耗對(duì)于整車的電池壽命也是有影響的。InnoSwitch3-AQ的空載功耗非常低，在800V時(shí)小于36mW。

圖：極低的空載輸入功率

期待以前裝代替搭電

目前，大多數(shù)車輛的12V電瓶沒電或電壓太低時(shí)，都要使用外接應(yīng)急電源或找另一輛車搭電，因?yàn)檫@時(shí)牽引逆變器門級(jí)無法驅(qū)動(dòng)車輛動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)。車輛前裝應(yīng)急電源就可以解決這個(gè)問題。

盡管車輛母線電壓在不斷提高，汽車級(jí)認(rèn)證耐壓高達(dá)900V的器件也已接踵而至，而且不使用光耦器，可以實(shí)現(xiàn)更高輸出精度，動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性又非常好，有助于滿足有功能安全要求的牽引逆變器應(yīng)急電源的需求。