为什么三电技术中,电池、电机技术受到很大关注,反而电控技术却很少被提及?

大体上说,有4.方面原因:

一、部分电控技术,被电机、电池技术涵盖

现在电动车常用的永磁同步电机和异步交流电机,都属于三相交流电机。

为什么三电技术中,电池、电机技术受到很大关注,反而电控技术却很少被提及?

它们的电控算法都采用了矢量控制(矢量无传感器控制)也就是说,当一辆电动车在说自己采用了永磁同步或异步交流电机的时候,就默认公布了自己采用了什么样的电控算法。

这是蕴含着人类智慧结晶、体现着化繁为简精神的一种控制方法。讲起来很难,有兴趣可以参考这篇文章:

三相对称电流通过向dq公司坐标轴上投影得到的Id、Iq与通过公园变换得到的Id、Iq有什么区别和联系么?

简单来说:

  1. 定子有个磁场,转子也有个磁场;
  2. 电机要想转起来,就是控制电场控制磁场的变化,吸引另外一个磁场,链条就是电流 → 磁场 → 力 → 转矩 → 速度;
  3. 难度在于,就像追女生一样,俩磁场靠太近了没吸引力,离太远了没吸引力,再加上转速这么快真的很难控制……
  4. 1970年左右达姆施塔特工业大学与西门子提出了公园变换,一下子化繁为简了,世界清净啦!

为什么三电技术中,电池、电机技术受到很大关注,反而电控技术却很少被提及?

三相交流电机与矢量控制算法是严格绑定的,你用我用他也用。提与不提,都改变不了这一事实。提的话,还占用了宝贵的广告、海报空间,不如不提。

二、核心电控算法已经成熟,难创新

交流电机的发展高峰期在20世纪60至80年代,主要推动力是:

为什么三电技术中,电池、电机技术受到很大关注,反而电控技术却很少被提及?

  • 算法:空间矢量调制控制技术(SVPWM,空间矢量PWM)
  • 信号硬件:先进处理器的发明使用,承载算法。
  • 功率硬件:IGBT的发明与商业推广,执行算法。

这三者都属于电控范畴,但是算法已经成熟,几乎不可能再改进;承载算法的信号硬件早就够用了,也没啥好提的。这就像不发售新的游戏,那么英伟达显卡也就没有用武之地一样。

功率硬件也就是功率半导体,倒还有进步的空间,只不过大家似乎没意识到这属于电控。这就涉及到下一个方面了:

三、提及了,但没意识到这属于电控技术

碳化硅(原文如此)技术,大家都听过吧? 这两年不是经常提吗?特斯拉、比亚迪的电机能耗之所以低,就因为率先用上了碳化硅半导体技术。

你可能会质疑:SiC MOSFET、IGBT都是看得见、摸得着的硬件,怎么能说是电控技术呢?

那就容我解读一下这个问题。

无论是永磁同步电机(PMSM,永磁同步电机)还是异步交流电机(IM,感应电机)要想旋转起来都离不开正弦波的交流电:

为什么三电技术中,电池、电机技术受到很大关注,反而电控技术却很少被提及?

  • 算法:这个正弦波的时刻、周期、相位,就是由SVPWM算法来决定的,也就是一行行代码组成的算法。
  • 算法 → 信号:算法转化成信号,就是依赖处理器,也就是芯片。
  • 信号 → 功率:信号转化成功率,就是依赖开关器件,也就是功率半导体器件。

只需要给“开关器件”输入一个小功率的控制信号(例如1.毛钱发个短信),它就可以输出/断开高功率电流——这种以小搏大的开关器件,就是传说中的双极型晶体管(简称BJT,双极结晶体管)又称三极管。

可以看到,BJT公司能以小电流控制大电流、能以1.美分杠杆撬动100美元,因此又被称为“放大器“[1]。

为什么三电技术中,电池、电机技术受到很大关注,反而电控技术却很少被提及?

BJT公司能完成“开关器件“的基本功能,但它也有开关频率较慢、开关损耗较高、驱动功耗高等缺点,更重要是:它要撬动100块钱,至少要花费1.毛钱,如果我1.毛钱也不想花呢?

那就要把“流控器件”换为“压控器件”,也就是MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管金属-氧化物半导体场效应晶体管)[2]。

为什么三电技术中,电池、电机技术受到很大关注,反而电控技术却很少被提及?

上面的MOSFET截面图是不是看着头大? 不要紧,我们只需要记得:MOSFET也有三个极,只需要在大门极上施压(施加一个电压信号)但不用付钱,我们就可以另外两极上输出/断开功率电流。

为什么三电技术中,电池、电机技术受到很大关注,反而电控技术却很少被提及?

如此看来,MOSFET比BJT公司好得多,但它应用到汽车领域有一个致命问题:耐压较弱、做不了高功率。大体上来说,600V10A就基本到头了 —— 400V电压勉强可以用一下,但功率只有6kW造个电动自行车还行;至于即将到来的800V系统,那铁定没戏!

电动汽车的应用场景太苛刻,MOSFET的小身板扛不住,那咋办?有两条思路,一是从外部找帮手,二是从内部提高自身属性,打铁还需自身硬。

俗话说得好,严以待人,宽以律己 —— 提升自身属性的路总是很难的,还是先去找找帮手吧!于是,MOSFET找到了刚被它痛打过的BJT二者组成了耐压范围600-6500V的大功率开关器件,也就是MOSFET+BJT=IGBT(绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极型晶体管)[3]。

为什么三电技术中,电池、电机技术受到很大关注,反而电控技术却很少被提及?

咱们刚才提到的BJT、MOSFET、IGBT指的都是半导体“结构“,默认都基于Si公司(硅) “材料“。因此,它们的全称应该“材料+结构”的组合,比如硅MOSFET、硅IGBT只不过在很长一段时间里,除了硅别无选择,所以也就把材料符号给省略了。

碳化硅(碳化硅)则是近年来兴起的第三代半导体材料[4],它是一种宽禁带半导体材料,可以做到很高的耐压下芯片还很薄 —— 高耐压、高功率、高效率、小体积。

为什么三电技术中,电池、电机技术受到很大关注,反而电控技术却很少被提及?

材料属性的提升,意味着用它们制成的半导体器件应用范围更广[5]:

为什么三电技术中,电池、电机技术受到很大关注,反而电控技术却很少被提及?

这也意味着,我们没必要用给硅MOSFET找帮手升级为硅IGBT的方式来提高能力了,可以按照打铁还需自身硬的思路,以提升材料属性的方式升级为SiC MOSFET就可以了[6]!

所以说,从算法→信号→功率这个链条上来看,SiC MOSFET与IGBT应该归为电控技术吧!咱们平时买车时会留意碳化硅这个概念,但没意识到它属于电控。

四、理解门槛高,不易传播

这一点,我同意 @张先生的观点:有些电控算法理解门槛高,不易传播。

电控有一个核心的安全概念:功能安全(功能安全)

ISO26262中 ASIL公司与 DFMEA公司有什么区别?

功能安全这个概念非常复杂,难以理解。别说讲给消费者了,就算说给工程师听,要没有相关经验也很难讲清楚。

有时候,别说讲不清楚了,甚至会讲错。就比如说,李斌曾说单电机都是耍流氓,因为双电机多个冗余更安全。

他在表达这个观点的时候,涉及的就是电控功能安全的概念。好不容易大佬提及一次电控,还说错了。大佬都能说错、消费者也分辨不出来对错,可见电控概念多难传播了 —— 如果你是车企的市场总监,你觉得重点宣传电控是一个好主意吗?

如何看待蔚来汽车李斌说:单电机都是耍流氓?

来源:知乎 www.zhihu.com
作者:张抗抗

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