近期，第九屆中國整車熱管理技術年會在上海召開，英飛淩大中華區汽車電子事業部市場專家張昌明分享了 「新能源汽車空調壓縮機驅動器與功率器件設計選擇」。
# 熱管理面臨的挑戰-實作成本平衡
新能源車的熱管理是一個熱門話題，電池能量密度沒有汽油高，對工作環境溫度有要求，需要系統盡量最佳化。新能源車的熱相關部件可分成三個部位，分別是電機與功率電子器件，動力電池，以及座艙，這些部件既有發熱需求，又有制冷需求。
如果以每100公裏需要24度電計算，大概將近20%的熱量用在熱耗散上。以每年跑16000公裏預估，10年將近7680度電用在熱消耗上，按歐洲電費計算25歐分每度電，換算下來浪費將近一萬五到兩萬元人民幣。因此，本文將從熱系統管理在整個系統層面上去找到成本平衡為出發點，來思考系統方案設計以及未來策略的定義。
1.1 概述
在車裏面我們把熱管理做了一些歸類，首先是一個冷源或者是熱源的壓縮器件，另外就是各種閥門的控制。很多專家講過，三通、四通甚至五通的閥，把冷熱進行交換，得到最終需要的溫度。實際上從傳統的車裏面可以看到，在進行冷熱交換的時候，它需要相應的控制邏輯與演算法，執行機構是靠閥門來控制的，核心演算法會涉及熱管理架構問題。
1.2 熱管理系統電氣平台簡述及所需關鍵零部件
把新能源車裏的電氣平台分為三個部份，第一個是高壓400伏以上的，中間的是指燃油車做一些48伏的，12伏平台是所有車都需要配備的。這台車裏面有什麽功率器件或者動力器件需要從功率角度來考慮呢？首先是風扇，大概250-600瓦，小電機與閥門控制在200瓦。水迴圈路徑長需要用到高壓水泵，可能要用1000到2000的水泵去控制水路迴圈。
下圖概括新能源車的功率部件需求，主逆變器從30千瓦可能上升到400千瓦。充電機從3.3千瓦到22千瓦，OBC功率提升已經有很明顯的需求了，很多客戶都在做11千瓦的，DC-DC沒有太大變化。涉及到熱管理的PTC加熱器大概2-5千瓦，水泵1千瓦，油泵1千瓦。這些功率標稱是給大家一個比較直觀的概念。
熱管理的關鍵功能需要由壓縮機和PTC來實作。
2 新能源車空調壓縮機控制器功率器件關鍵技術詳解
2.1 熱管理核心部件壓縮機及PTC分析
整個電動車技術的發展趨勢，從傳統燃油車套用發動機的余熱管理加上機械式空調壓縮機到混動車型來看，這兩年中國和歐洲對混動車型的看法不太一樣，中國是偏向高壓混動的，歐洲的很多車型是用48伏混動，所以需要不一樣的電子壓縮機。傳統機械壓縮機不會做智能管理，動力來自傳統汽油發動機。對於純電動車型，電子壓縮機功能需求越來越高，PTC會進行輔助加熱。如果用PTC 的話，在冬天會有較嚴重電池能量損耗，所以現在大家都在研究高效的壓縮機，逐步降低PTC的功能，透過熱泵空調來實作熱量管理，從而滿足整車的熱管理需求。
從壓縮機和PTC的結構上來看，電子壓縮機其實就是一個三相逆變器，控制邏輯和演算法一致，只是工作環境不一樣，需要不同的演算法來控制IGBT，開關頻率約5-20kHz，為什麽頻率範圍這麽大？首先，二氧化碳需要的壓強更大，傳統壓縮機4Mp左右壓強，CO2熱泵空調需要增加一倍甚至更高的壓強，壓縮機需要更高的轉速控制來實作更大壓強。其次，氫燃料電池裏面的壓縮機，這個需要更高速壓縮機，把空氣用很大壓力吹到轉換機裏面去，這個壓縮機驅動器需要用碳化矽這樣的高速開關器件。PTC也會分兩種，一種水冷式的，一種空氣的，基本上都是用單個IGBT做控制，會有高邊和低邊兩種架構。
2.2 MCU選型原則
今年，行業內很多人都在談控制器移到ECU/VCU。前面提到的控制器件裏面有一個MCU，它相當於是一個分離式的系統，每個部件的控制器會和ECU進行通訊。英飛淩AURIXTM或TraveoTM II系列MCU都能符合ISO26262 ASIL-C/D功能安全需求。現在大家討論更多的是這種MCU整合式方案，用的MCU數量變少。以前MCU核數沒有那麽多，算力沒有那麽高的要求，發展到現在有4核、6核MCU。現在設計的緊湊性要求也越來越高，物理空間要求縮減時可以把一切可以壓縮的盡量節省，可以把MCU做整合設計，升級到域控制器。傳統的做法是一個主控的MCU域控制器，子系統功能整合。熱管理系統可是一個單獨的領域，PTC、E-compressor、水泵基本上屬於一個控制體系。BMS和熱管理系統有非常強的物理連線，熱管理與BMS可以有一些混合型的域控制概念。這種方式會大量減少MCU數量，成本上會有比較大改善。
2.3 功率器件選型原則
前面講的是電子電氣上的控制架構，這裏面有兩大核心器件，一個MCU控制器，另一個就是功率器件執行部份。在執行部份，功率器件選擇以開關頻率和功率來判斷。橫軸是以開關頻率來選擇功率器件，縱軸是它能夠支持的功率範圍，四分之一圓的灰色部份是以傳統矽器件所能達到的功率與頻率適用範圍，藍色和紫色的部份是最新第三代半導體的SiC和GaN器件的適用區域，GaN適用非常高頻場合，但是目前的技術沒有辦法做到功率超過10個千瓦。碳化矽適用範圍就很廣，功率也可以做到從10千瓦到10個兆瓦。OBC上三種器件都會有套用，E-compressor和PTC目前基本上會用碳化矽和矽的器件做控制。
從器件選型來看，基本特性是開關頻率和功率來決定器件的選型。除此之外還有一個最重要因素就是器件的封裝，這個會直接影響到產品的設計。功率器件電壓等級可分成兩部份，工作電壓小於540伏和電壓大於540伏。對於小於540V的母線電壓提供650～750伏的功率器件，大都會用Si器件；對於電壓大於540V的環境，Si和SiC都可以選擇。Si IGBT用在低開關頻率套用上會比較有優勢，但是如果開關頻率比較高的場合，SiC MOSFET表現會更好。
不管是從電壓規格選擇，還是從不同封裝選擇，最終都要回歸到成本和效率。首先需要考慮多大功率需求、什麽樣的系統效率、其次就是系統設計方案，最後生產成本、系統效率和售後成本上，得到一個最佳化的方案。
回歸到器件本身特性來講，在輔助驅動裏面英飛淩目前可以提供三代IGBT方案，第一代是600V IGBT3技術，目前市面上用的很多方案都是600伏的器件，第二種650V TRENCHSTOP5 IGBT，第三種是最新的750V EDT2芯片。晶圓從6 inch升級到8 inch，成本和效能都大幅最佳化。還有就是芯片耐壓值的提升，透過系統最佳化和最大化利用功率器件可以承受的耐壓值，電流不變的情況下可以提供功率，功率密度提升會給系統帶來非常大的成本最佳化。
前面講的是矽的器件發展，接下來看看碳化矽，英飛淩的碳化矽器件開發與套用已經有超過25年的歷史，目前碳化矽將有不同規格的產品推出。從原材料到系統，一般從四個層面考慮碳化矽產業鏈。首先是基片材料，英飛淩車規級碳化矽基片目前已經認證了三家供應商。其次是芯片技術，市場上有兩種工藝，分別是平面工藝和溝槽工藝，英飛淩采用的是非對稱式溝槽工藝，希望可以相容Si IGBT的驅動設計理念讓SiC的使用與IGBT一樣簡單可靠。第三是將芯片封裝成不同的器件，有分立與模組等。最後是考慮系統設計與最佳化。
英飛淩的第一代和第二代的碳化矽器件的最新成果呢? 目前我們把第一代碳化矽TO247-3器件的開通損耗作為一個對標，目前在市場上同規格的產品英飛淩的器件損耗是最低的，使用TO247-4封裝的碳化矽損耗可以再次最佳化35%，這將對系統的效率提升25-30%。在不影響品質的情況下增大芯片的安全工作區。SiC MOSFET的Vgth等相關參數特性使得套用中需要尤其註意，避開風險。
碳化矽器件可以顯著的提升系統效率。在選用功率器件時，哪些參數是我們首要考慮的。首先，要根據開關頻率來決定功率器件類別，以及技術選擇，Si IGBT還是SiC MOSFET，這些都會影響系統設計。其次，功率器件耐壓值600伏、650伏等依據系統工作電壓與應力要求來確定。第三，根據系統功率要求來確定電流等級。這些是比較基本的參數選擇，這裏列舉了一些關鍵參數，比較開關損耗、結至殼的熱阻等都會影響功率器件選型。這幾年和一些業內客戶交流，因為熱管理方面的經驗不足，他們盡量選用的規格很大，以保證系統有充足的裕量設計。這樣會帶來一個問題，成本不會有太多的最佳化空間。系統成本應該是選擇最合適的器件來滿足系統要求，從而帶來更好的成本最佳化。
在功率系統中，除了功率器件外，系統級的支持必不可少。 英飛淩可以提供完整的解決方案，包括感知、控制、執行與電源管理與通訊器件。
最後，希望透過技術創新及產業協作，達成「零排放」的美好未來。
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