隨著電動(dòng)出行的不斷發(fā)展，現(xiàn)代汽車集團(tuán)的兩級(jí)電動(dòng)系統(tǒng)等創(chuàng)新技術(shù)承諾在日常駕駛中同時(shí)實(shí)現(xiàn)高效，加速時(shí)即時(shí)提供高功率。直到現(xiàn)在，后者還被認(rèn)為是難以實(shí)現(xiàn)的。

先說(shuō)點(diǎn)背景。在電動(dòng)汽車中，功率輸出由電壓和電流決定。要增加驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率，可以提高電池電壓或調(diào)整電機(jī)特性以增加電流。

缺點(diǎn)是電流增加會(huì)使電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)更大更重，熱管理也變得更困難。此外，當(dāng)主要設(shè)計(jì)為高功率輸出時(shí)，日常城市駕駛時(shí)效率會(huì)顯著下降。

電動(dòng)汽車不僅僅是靠電機(jī)驅(qū)動(dòng)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由三個(gè)關(guān)鍵部分組成：電機(jī)、減速器和逆變器（見(jiàn)圖1）。電機(jī)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力（扭矩），減速器將扭矩傳遞給車輪，逆變器將電池的直流電轉(zhuǎn)換為電機(jī)的交流電。

1. 電動(dòng)車電力系統(tǒng)由三個(gè)基本部件組成：逆變器、電機(jī)和減速器。

電動(dòng)汽車的功率輸出取決于電池通過(guò)逆變器向電機(jī)（或電機(jī)）傳輸?shù)碾妷汉碗娏鳌鹘y(tǒng)上，水流增加會(huì)導(dǎo)致推進(jìn)系統(tǒng)更重，熱管理面臨更大挑戰(zhàn)。以這種方式優(yōu)化為高輸出的電機(jī)系統(tǒng)，常常在正常駕駛時(shí)犧牲效率。

通過(guò)提高電壓利用率重新思考逆變器

幸運(yùn)的是，科技可以提供幫助。現(xiàn)代汽車集團(tuán)的研發(fā)通過(guò)重新思考逆變器來(lái)應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，逆變器由基于半導(dǎo)體的開(kāi)關(guān)組成。當(dāng)開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，電流流動(dòng);但當(dāng)它們開(kāi)著時(shí)，它就不會(huì)。

當(dāng)交流電流流經(jīng)電機(jī)線圈時(shí)，會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，隨著電流交替不斷變化。這種磁場(chǎng)的移動(dòng)推動(dòng)和拉動(dòng)電機(jī)中心的磁化轉(zhuǎn)子，使其旋轉(zhuǎn)。這反過(guò)來(lái)推動(dòng)車輛前進(jìn)。

為克服以往的限制，現(xiàn)代開(kāi)發(fā)了一套創(chuàng)新系統(tǒng)，通過(guò)提高電壓利用率來(lái)擴(kuò)大可用電壓范圍。汽車制造商通過(guò)自家設(shè)計(jì)的動(dòng)力模塊解決了尺寸和重量問(wèn)題。每個(gè)模塊內(nèi)含功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)，并提供確保散熱和電氣絕緣的封裝，從而實(shí)現(xiàn)更精確的協(xié)調(diào)與控制。

傳統(tǒng)逆變器使用六個(gè)開(kāi)關(guān)，通常采用碳化硅（SiC）半導(dǎo)體——這是一種高效但成本較高的材料。現(xiàn)代的兩級(jí)電機(jī)系統(tǒng)采用雙逆變器結(jié)構(gòu)，配備12個(gè)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)，采用“6加6”配置，使傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)數(shù)量翻倍（見(jiàn)圖2）。一組六個(gè)開(kāi)關(guān)采用硅碳半導(dǎo)體實(shí)現(xiàn)高效率，另一組則使用硅（Si）半導(dǎo)體以支持高功率條件。

2. 通常，逆變器使用六個(gè)開(kāi)關(guān)，通常采用硅碳半導(dǎo)體，這是一種高效但成本高的材料。現(xiàn)代的兩級(jí)電機(jī)系統(tǒng)采用了配備12個(gè)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)的雙逆變器結(jié)構(gòu)。

電壓范圍擴(kuò)大，因?yàn)閷⑦B接在單一電機(jī)上的逆變開(kāi)關(guān)數(shù)量翻倍，使公司能夠施加更高的電壓水平。硅晶體開(kāi)關(guān)組僅用于保持高效率。在高速或高輸出功率條件下，兩組開(kāi)關(guān)機(jī)組協(xié)同工作。

我不逗你玩笑，數(shù)據(jù)如下：現(xiàn)代表示，6加6配置結(jié)合多種控制策略，能將供電電機(jī)電壓提升高達(dá)70%，實(shí)現(xiàn)更高的功率輸出而不影響效率（見(jiàn)圖3）。切換開(kāi)關(guān)能夠在多種駕駛條件下靈活作——使用一組六個(gè)開(kāi)關(guān)或兩組12個(gè)開(kāi)關(guān)——實(shí)現(xiàn)性能與效率的平衡。

3. 6加6配置結(jié)合多重控制策略，可將供電電壓提升至70%，實(shí)現(xiàn)更高的功率輸出而不影響效率。

控制架構(gòu)

交換機(jī)數(shù)量翻倍不僅需要硬件升級(jí)，還需要對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行徹底重新設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)的六開(kāi)關(guān)逆變器將開(kāi)關(guān)分為上下兩組，分為三相，在嚴(yán)格的切換規(guī)則下以八種不同組合工作。

當(dāng)開(kāi)關(guān)數(shù)量翻倍時(shí)，組合數(shù)量增加八倍，需要更精確的控制，開(kāi)關(guān)間的協(xié)調(diào)也變得必要。如果系統(tǒng)分步驟移動(dòng)，車子會(huì)感覺(jué)像是在抖動(dòng)或卡頓。

需要高級(jí)控制來(lái)平滑電壓矢量。現(xiàn)代汽車集團(tuán)的系統(tǒng)可同時(shí)控制12個(gè)開(kāi)關(guān)，擴(kuò)大了可用電壓空間。

一個(gè)模塊固定六個(gè)開(kāi)關(guān)，采用六步配置，另一個(gè)模塊控制剩余的六到六十四個(gè)可能組合。

現(xiàn)代汽車集團(tuán)開(kāi)發(fā)了專有的控制算法，聲稱能確保這兩種模式之間的無(wú)縫切換。該系統(tǒng)采用現(xiàn)代汽車集團(tuán)的智能雙模控制系統(tǒng)，具體配置如下：

• 城市駕駛：使用一組開(kāi)關(guān)以實(shí)現(xiàn)最佳效率。

• 高性能：激活兩組開(kāi)關(guān)以提供最大功率。

系統(tǒng)采用切換開(kāi)關(guān)切換模式，確保加速時(shí)強(qiáng)勁動(dòng)力，長(zhǎng)途駕駛時(shí)高效。

打造緊湊設(shè)計(jì)

逆變器的尺寸取決于其內(nèi)置半導(dǎo)體電源模塊。現(xiàn)代汽車集團(tuán)將九個(gè)動(dòng)力模塊整合為三組，冷卻系統(tǒng)從單面升級(jí)為雙面設(shè)計(jì)，既減少了體積和重量，又保持了耐用性。這種改進(jìn)使得在更小封裝內(nèi)實(shí)現(xiàn)更高的功率密度，實(shí)現(xiàn)高輸出且不增加整體尺寸。因此，兩級(jí)電機(jī)系統(tǒng)在大規(guī)模生產(chǎn)中是實(shí)用的。

該系統(tǒng)已為現(xiàn)代電動(dòng)汽車提供動(dòng)力，如現(xiàn)代IONIQ 5和IONIQ 6，預(yù)計(jì)還將應(yīng)用于IONIQ 9和新款NEXO FCEV——一款氫能燃料電池電動(dòng)車。

4. 現(xiàn)代二級(jí)電機(jī)系統(tǒng)已為現(xiàn)代電動(dòng)汽車提供動(dòng)力，預(yù)計(jì)將應(yīng)用于全新NEXO FCEV——一款氫能燃料電池電動(dòng)車。

這一創(chuàng)新榮獲了2024年韓國(guó)科技獎(jiǎng)總統(tǒng)獎(jiǎng)，這是國(guó)家對(duì)技術(shù)卓越的最高榮譽(yù)。