在EV中使用第4代SiC MOSFET：裝入牽引逆變器實(shí)施模擬行駛試驗(yàn)

關(guān)鍵要點(diǎn)

?使用電機(jī)試驗(yàn)臺(tái)的測(cè)試結(jié)果，按照油耗測(cè)試方法WTLC進(jìn)行了模擬行駛仿真，確認(rèn)了第4代SiC MOSFET對(duì)電耗的改善效果。

?WLTC測(cè)試循環(huán)的各個(gè)速度段的電耗均可得到改善，與使用IGBT時(shí)相比，整體電耗改善約6%，市區(qū)模式下改善約10%。

?給用戶帶來(lái)的效益包括可以降低單位行駛里程的運(yùn)行成本（電力成本）以及可以使用電池容量更小的電池。

在“EV應(yīng)用”一文中，我們通過(guò)BEV電源架構(gòu)的組成部分之一“牽引逆變器”，介紹了在其中使用第4代SiC MOSFET的效果。

● 第4代SiC MOSFET的特點(diǎn)

●在降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器中使用第4代SiC MOSFET的效果

>電路工作原理和損耗分析

>DC-DC轉(zhuǎn)換器實(shí)機(jī)驗(yàn)證

●在EV應(yīng)用中使用第4代SiC MOSFET的效果

>EV應(yīng)用

>裝入牽引逆變器實(shí)施模擬行駛試驗(yàn)

> 圖騰柱PFC實(shí)機(jī)評(píng)估

在EV應(yīng)用中使用第4代SiC MOSFET的效果

裝入牽引逆變器實(shí)施模擬行駛試驗(yàn)

本文將介紹牽引逆變器的基本工作和在EV中的評(píng)估系統(tǒng)（電機(jī)試驗(yàn)臺(tái)的測(cè)試環(huán)境）。然后，我們將使用其測(cè)試結(jié)果，按照乘用車油耗測(cè)試方法WTLC實(shí)施模擬行駛仿真，并通過(guò)示例來(lái)了解使用第4代SiC MOSFET改善電耗的效果。

逆變電路的工作

隨著機(jī)電一體化（電機(jī)、減速器、逆變器）進(jìn)程加速，降低損耗在實(shí)現(xiàn)高電壓、高輸出、小型輕量逆變器中的重要性日益凸顯。這是因?yàn)榻档蛽p耗與EV的電耗性能是息息相關(guān)的。

如圖1所示，為了驅(qū)動(dòng)動(dòng)力總成系統(tǒng)中的電機(jī)，牽引逆變器會(huì)將電池中存儲(chǔ)的直流電轉(zhuǎn)換為三相交流電。逆變器由三個(gè)半橋結(jié)構(gòu)（每個(gè)半橋是1個(gè)橋臂，共3個(gè)橋臂）組成。三相交流波形按照與電機(jī)轉(zhuǎn)速同步的頻率信號(hào)波（基準(zhǔn)正弦波）設(shè)置，三角波（調(diào)制波）按照決定開關(guān)頻率的載波頻率設(shè)置。提供給電機(jī)的電壓是通過(guò)在生成PWM信號(hào)的過(guò)程中改變?nèi)嘟涣麟姾腿遣ǖ碾娖絹?lái)實(shí)現(xiàn)的。

圖1. 常見的逆變器電路結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)信號(hào)

電機(jī)試驗(yàn)臺(tái)的測(cè)試環(huán)境

表1中列出了電機(jī)試驗(yàn)臺(tái)以及供試逆變器中搭載的SiC器件的主要規(guī)格。供試逆變器由內(nèi)置第4代SiC MOSFET裸芯片的二合一功率模塊組成。

表1. 電機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)及供試逆變器主要規(guī)格

圖2為電機(jī)試驗(yàn)臺(tái)的測(cè)試環(huán)境，圖3為供試逆變器（DUT Inverter），圖4為控制系統(tǒng)框圖。通過(guò)供試逆變器的三相UVW動(dòng)力線來(lái)驅(qū)動(dòng)供試電機(jī)。供試電機(jī)與負(fù)載電機(jī)連接，負(fù)載電機(jī)根據(jù)車輛參數(shù)計(jì)算出的行駛阻力進(jìn)行負(fù)載扭矩控制，可進(jìn)行目標(biāo)車輛參數(shù)的模擬行駛實(shí)驗(yàn)。

圖2.電機(jī)試驗(yàn)臺(tái)的測(cè)試環(huán)境

圖3. 供試逆變器(DU TInverter)

圖4. 電機(jī)試驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)框圖

關(guān)于行駛阻力，如圖5和公式（1）～（4）所示，考慮到了空氣阻力FAD、滾動(dòng)阻力FRR、坡道阻力FRG、加速阻力FACC。

圖5.行駛阻力

Cd：空氣阻力系數(shù)

A：正面投影面積

ρ：干燥空氣密度

μ：滾動(dòng)阻力系數(shù)

m：車輛重量

Δm：旋轉(zhuǎn)體的等效慣性質(zhì)量

α：加速度 v：車速

g：重力加速度

模擬行駛所用的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)WLTC模式油耗測(cè)試

圖6所示的WLTC（Worldwide harmonized Light duty driving Test Cycle：全球統(tǒng)一輕型車輛測(cè)試循環(huán)）是乘用車等的尾氣排放量和油耗測(cè)試方法（WLTP：Worldwide harmonized Light vehicles Test Procedure）中規(guī)定的車輛行駛測(cè)試循環(huán)。

WLTP是由聯(lián)合國(guó)歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì)在2014年舉辦的第162屆聯(lián)合國(guó)世界車輛法規(guī)協(xié)調(diào)論壇（WP29）上被采用為全球統(tǒng)一汽車技術(shù)法規(guī)（GTR：Global Technical Regulation）的。該循環(huán)由低速、中速、高速和超高速（Low、Middle、High、Extra-High）四個(gè)部分組成，在日本，檢測(cè)供試車輛的尾氣排放量和油耗時(shí)不包括超高速（Extra-High）段的測(cè)試循環(huán)。

圖6. WLTC(世界統(tǒng)一測(cè)試循環(huán))概要

使用前述的電機(jī)試驗(yàn)臺(tái)，輸入基于WLTC測(cè)試循環(huán)的模擬行駛測(cè)試條件，在逆變器中分別使用了第4代SiC MOSFET和IGBT的兩種情況下，進(jìn)行了行駛電耗測(cè)試。

圖7是針對(duì)C級(jí)EV的電耗測(cè)試結(jié)果。結(jié)果證明，如果用第4代SiC MOSFET取代傳統(tǒng)的IGBT，可以改善WLTC測(cè)試循環(huán)各個(gè)速度段的電耗。與使用IGBT時(shí)相比，整體電耗改善約6%，市區(qū)模式下改善約10%。

作為參考，在圖8中提供了逆變器效率MAP圖（在NT曲線基礎(chǔ)上增加了效率信息）。從這里的結(jié)果也可以看出，在市區(qū)行駛模式中經(jīng)常出現(xiàn)的高扭矩和低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，效率顯著提升。

圖7. 電耗測(cè)試結(jié)果

圖8. WLTC 油耗測(cè)試中的逆變器效率 MAP 圖

下面我們舉例來(lái)說(shuō)明改善電耗可以給用戶帶來(lái)哪些效益。從“可以降低單位行駛里程的運(yùn)行成本（電力成本）”和“可以使用電池容量更小的電池”兩方面來(lái)考慮可能更易于理解。表3是在郊區(qū)模式下的推算的效益示例。與使用IGBT時(shí)相比，假設(shè)電耗改善5.5%，就意味著1萬(wàn)公里的行駛里程可以節(jié)省2,000日元，采用100kWh的電池可以節(jié)省5.5萬(wàn)日元（表2）。

表2. 電耗改善與用戶效益

審核編輯：劉清