电动汽车的新电池概念

在这项研究中，保时捷工程的开发团队将电动驱动系统的高压电池划分为 18 个独立的电池模块，并按三相分布。这些模块可以通过功率半导体开关单独进行控制。通过将各个电池模块灵活地组合成一个模块化多级串并联转换器 (MMSPC) 作为分布式实时系统，可以动态模拟电压曲线，从而直接由电池模块的直流电压生成用于电动机的正弦波三相交流电。“通过 MMSPC，不仅可以在行驶过程中直接控制电动驱动电机，还可以实现与交流电网的直接连接，从而为电池充电。”保时捷工程公司项目负责人丹尼尔·西蒙 (Daniel Simon) 解释道。

通过系统层面的高度集成，交流电池成为了软件定义的驱动系统。此方法的特殊性：例如脉冲换流器、电池管理系统或车载充电器的等传统硬件功能，在中央控制单元中通过处理器系统以软件方式实现（图 1）。附加的可编程逻辑由 FPGA 实现。这使得算法的硬件加速成为可能，确保了严格的实时性能。

每个电池模块都配有功率电子设备，并以三相方式连接到电动机（图 2）。

为了由直流电压产生交流电压，电池的各个电池模块在组装好的功率电子设备（图 3）的帮助下以不同的方式连接起来。当所有模块并联时，电压最低（左图）。而当它们全部串联时（右图），电压将达到最大值。介于两者之间的电压值则通过模块的并联与串联组合实现（简化示意图）。出于安全性和效率的考虑，模块的控制必须实现时间同步。

每个模块由电芯和功率电子设备组成（图 4）。各个电池模块的功率电子设备均由八个功率 MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）构成，并通过其架构支持并联、串联、旁路和无源连接等不同的连接配置。

该方法的一个特点是，控制单元功能的实现以软件为中心。“部分任务由处理器承担，该处理器利用 FPGA 进行快速调节和优化的开关策略，并最终实现对所有模块的同步控制。这样就通过软件实现了动态重构；但要使其正常运行，模块上的功率电子设备必须执行这一开关策略。”西蒙说，“通过结合 CPU 和 FPGA 的系统芯片 (SoC) 方案，我们实现了严格的实时能力，这是传统微控制器无法实现的。”

保时捷工程公司将交流电池概念与全新的控制单元平台结合，在多个原型车上成功实施，并成功在试验台上进行了测试。此外，该系统还被集成到一辆测试车辆中，以展示其基本功能。“对于交流电池的实现，开发新的控制单元平台是必不可少的。由于该系统具有灵活的适应性，它发展成为一个独立的项目，并将继续推进。”温卡表示。在新的项目中，系统模块和部分相关软件可以被重复使用，同时可以轻松扩展基板的功能，以满足所需的硬件功能和接口需求。因此，控制单元可以灵活地调整以适应新的需求，非常适合那些需要高计算能力和实时性能的应用场景，尤其当项目需求在进行过程中可能发生变化时。“不受项目限制组合使用控制单元系统模块上的系统芯片 (SoC)，使其在处理其他复杂任务时也能表现出色，从而成为功能原型平台的理想选择，特别适合用于原型开发。”西蒙解释道。

与传统的原型控制单元相比，这种方案的优势包括更快的功能开发：硬件提供了大量的计算资源，同时，在控制单元开发过程中，可以利用基础软件和现有的软件模块，作为一个非常良好的起点进行开发。“目前计划将新的控制单元平台首先用于保时捷工程公司的原型开发。”温卡说道，“不过，原则上，这一概念稍加修改后也适用于批量应用。”