寬禁帶碳化硅半導(dǎo)體和電動汽車城市行駛電耗影響分析

伍魏明　竇煒　邢志樂　黃剛　葛昭

摘 要：本文研究了碳化硅寬禁帶半導(dǎo)體對電動汽車行駛能耗的影響，對比分析碳化硅和硅基驅(qū)動系統(tǒng)的整車城市行駛電耗差異?；诩冸娝尿?qū)車型，開展了電動汽車CLTC-P仿真電耗和臺架試驗驗證。分析碳化硅對典型城市工況以及高速80到120kph的電耗節(jié)能影響。分析表明，碳化硅電驅(qū)動系統(tǒng)可以降低4.43%的典型城市工況電耗;城市80kph到120kph等速行駛工況下，平均電耗可降低2.39%。

關(guān)鍵詞：碳化硅 寬禁帶半導(dǎo)體 功率器件 電動汽車 城市駕駛電耗

Study of Wide Bandgap SiC Technology For City Driving Energy Consumption in Electric vehicle

Wu Weiming Dou Wei Xing Zhile Huang Gang Ge Zhao

Abstract：This article studies the impact of silicon carbide wide bandgap semiconductors in electric vehicle drive energy consumption， and compares and analyzes the power consumption of the entire vehicle with silicon carbide and silicon-based drive systems. Based on the four-wheel drive EV vehicle， the CLTC-P simulation power consumption and bench test verification of electric vehicles are carried out. The article analyzes the impact of silicon carbide on typical urban working conditions and high-speed 80～120kph power consumption and energy saving， and the simulation shows that the silicon carbide electric drive system can reduce the power consumption of typical urban conditions by 4.43%.Average power consumption can be reduced by 2.39% when driving at constant speed during 80kph to 120kph.

Key words：silicon carbide， wide bandgap， power devices， electric vehicles， city driving energy consumption

1 引言

為了實現(xiàn)碳達(dá)峰與碳中和要求，實現(xiàn)節(jié)能減排高質(zhì)量發(fā)展，降低電動汽車的城市行駛電耗至關(guān)重要。目前市場使用的電驅(qū)動系統(tǒng)效率低，超過20%的電能通過熱量方式耗散在電驅(qū)動系統(tǒng)上，提升電驅(qū)動系統(tǒng)的驅(qū)動效率至關(guān)重要[1]。電動汽車核心三電部件包括電驅(qū)動系統(tǒng)、電池系統(tǒng)和和整車控制系統(tǒng)[2]。傳統(tǒng)的電驅(qū)動系統(tǒng)件采用的硅基芯片的功率器件，效率低、發(fā)熱大。本文分析了先進(jìn)的寬禁帶半導(dǎo)體碳化硅功率器件在電動汽車的運(yùn)用，可以大幅降低城市駕駛的電驅(qū)動系統(tǒng)耗電，改善驅(qū)動效率，提升整車?yán)m(xù)航性能，降低整車電耗[3]。王學(xué)梅[4]等人研究了碳化硅功率器件的工作特性，對比碳化硅功率器件和硅基功率器件的損耗分析。趙遷[5]等人分析了CLTC-P工況下整車的電耗，CLTC-P小負(fù)載工況占據(jù)70%。鄧隱北[6]研究了電動汽車驅(qū)動的最新技術(shù)，介紹提升電動汽車驅(qū)動效率方法。目前研究碳化硅功率器件對城市高速公路、高架和城市市區(qū)駕駛工況電耗研究較少，因此，本文通過AVL cruise建立電動汽車電耗行駛模型，開展試驗驗證?；贏VL Cruise仿真模型研究了碳化硅功率器件對城市市區(qū)工況和城市高速公路、高架的電耗降低節(jié)能作用。

2 碳化硅寬禁帶半導(dǎo)體在汽車電驅(qū)動系統(tǒng)的運(yùn)用

電動汽車由高壓電池提供驅(qū)動能源，高壓電池輸出能量到電驅(qū)動系統(tǒng)，通過傳動軸系驅(qū)動車輛行駛[7]。電動汽車電驅(qū)動系統(tǒng)采用電機(jī)控制器（逆變器）技術(shù)控制輸出，電機(jī)控制器通過調(diào)節(jié)功率器件的每一時刻的開關(guān)狀態(tài)，將電池直流電轉(zhuǎn)換為三相交流電，通過三相交流電控制電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速和扭矩[8]。

新能源汽車的電驅(qū)動系統(tǒng)多采用硅基功率器件，如大眾ID4，廣汽Aion S，小鵬P7等。隨著禁帶半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展，碳化硅功率器件在效率上明顯占優(yōu)[9]。效率方面，一是碳化硅自身導(dǎo)通內(nèi)阻小，降低了功率器件的導(dǎo)通損耗;二是碳化硅可以實現(xiàn)較低的開關(guān)損耗[10]。綜合起來，碳化硅可以降低80%功率器件損耗。特斯拉Model3和比亞迪漢EV，電驅(qū)動系統(tǒng)運(yùn)用碳化硅寬禁帶半導(dǎo)體，電動汽車的電耗水平明顯優(yōu)化。

電動汽車的技術(shù)發(fā)展日趨成熟，降低電動汽車行駛電耗意義重大。論文介紹了碳化硅基和硅基電驅(qū)動系統(tǒng)效率圖。硅基電驅(qū)動系統(tǒng)的測試效率如圖1，系統(tǒng)最高效率>90%，最高驅(qū)動效率優(yōu)于regen能量回收效率。由于碳化硅功率器件降低開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗，可以明顯提升功率器件的效率，在保持電機(jī)和減速器不變的基礎(chǔ)上，碳化硅電驅(qū)動系統(tǒng)的測試效率如圖2，對比分析兩個效率Map圖，碳化硅電驅(qū)動系統(tǒng)的高效率驅(qū)動區(qū)域明顯范圍優(yōu)于硅基電驅(qū)動系統(tǒng)。

3 電動汽車CLTC-P工況電耗仿真和臺架試驗開展

3.1 電動汽車關(guān)鍵參數(shù)和仿真模型構(gòu)建

本文分析了四驅(qū)純電車型的城市駕駛電耗優(yōu)化，電動汽車采用三元鋰電池、前后雙電機(jī)的動力系統(tǒng)?；贏VL cruise軟件建立四驅(qū)純電車型的整車百公里電耗仿真模型，模型包括整車三電系統(tǒng)，傳動系統(tǒng)，制動系統(tǒng)和輪胎系統(tǒng)，如圖3所示。

論文研究純電四驅(qū)車型參數(shù)如表1所示。

基于表1中整車屬性參數(shù)，通過整車質(zhì)量、迎風(fēng)面積、風(fēng)阻以及輪胎滾阻參數(shù)可以得到整車阻力曲線參數(shù)[11]，計算得到整車阻力參數(shù)如圖5，基于整車阻力參數(shù)開展臺架續(xù)航和電耗測試工作。

3.2 電動汽車CLTC-P工況電耗仿真

2021年發(fā)布的CLTC-P工況反映國內(nèi)乘用車用戶的駕駛行為，工況涵蓋了城市和高速行駛行為。CLTC-P工況如圖6，工況總時長1800s，最大車速為114kph，平均速度為28.94kph?；贏VL cruise軟件開展CLTC-P駕駛工況的電耗仿真，軟件建模界面如圖3所示，模型輸入?yún)?shù)見表2，仿真得到CLTC-P循環(huán)工況的轉(zhuǎn)速和扭矩分布圖，整車輸出扭矩范圍介于-150Nm到200Nm之間，轉(zhuǎn)速范圍介于0～9000RPM，如圖7所示。同時可以看出CLTC-P工況中驅(qū)動加速工況多于減速能量回收工況，符合駕駛工況特性。

3.3 CLTC-P工況電耗臺架電耗測試

基于AVL四驅(qū)臺架開展電動汽車電耗性能試驗，臺架裝置包括電池包系統(tǒng)、電驅(qū)動系統(tǒng)、低壓負(fù)載系統(tǒng)以及功率分析儀。臺架阻力曲線如圖5，根據(jù)阻力曲線輸入臺架可以模擬不同工況的阻力特性，通過公路分析儀可以采集電池系統(tǒng)的輸出電壓和電流，積分計算初電池的放電容量。臺架記錄試驗的里程信息，根據(jù)試驗里程和電池放電量計算電耗，如圖4所示。

硅基和碳化硅電驅(qū)動系統(tǒng)仿真和臺架試驗結(jié)果如圖8。仿真和試驗較為吻合一致，試驗和仿真的區(qū)別是1.91%，原因包括臺架工裝影響和臺架速度曲線控制波動等。

4 碳化硅對城市道路工況和等速高速工況電耗提升分析

4.1 碳化硅對典型城市道路工況的電耗仿真分析

中國典型城市道路工況如圖6，根據(jù)圖6速度工況開展數(shù)據(jù)分析：工況未涉及車速>60kph的工況，屬于城市市區(qū)道路;典型城市道路工況總時長1314s，平均速度為16.06kph，平均車速低于CLTC-P工況?；趫D3搭建的AVL cruise仿真模型，開展碳化硅電驅(qū)動系統(tǒng)對中國典型城市道路工況的電耗分析。

從中國典型城市道路工況轉(zhuǎn)速和扭矩分布圖7可知，純電汽車在城市駕駛時，最高車速為60kph，電驅(qū)動最大輸出轉(zhuǎn)速接近4000RPM。最大驅(qū)動扭矩低于100Nm，最大能量回收扭矩接近-100Nm。和CLTC工況相比，典型城市工況下電驅(qū)動的轉(zhuǎn)速和扭矩明顯較小。

通過仿真對比硅基和碳化硅基的百公里電耗，仿真對比如圖9，碳化硅電驅(qū)動系統(tǒng)可以降低4.43%的典型城市工況行駛電耗。

4.2 碳化硅對等速高速工況的電耗仿真分析

鑒于現(xiàn)在城市內(nèi)部多有高架以及高速公路，研究了碳化硅對等速高速駕駛工況電耗的提升效果?；诘人俑咚?0kph～120kph工況開展模擬仿真，等速高速工況的輸出功率分布如圖10。在等速60kph行駛時，驅(qū)動功率需求較小，不足10kw。隨著車速的增加，輸出功率需求明顯提升，在120kph時候，驅(qū)動功率接近30kw。高速行駛時候，風(fēng)阻是影響整車功率的主要因素，風(fēng)阻和車速的平方成正相關(guān)，受到速度的影響明顯。等速高速行駛時，60kph、80kph、100kph、120kph的電耗降低分別為2.22%，2.10%，2.63%，2.60%，如圖11所示。60～120kph高速等速駕駛，平均高速電耗降低2.39%

5 結(jié)論

本文研究了寬禁帶半導(dǎo)體碳化硅和電動汽車行駛電耗的影響。首先、論文搭建了AVL汽車電耗仿真模型，開展CLTC-P工況的電耗仿真，通過臺架測試驗證仿真模型的精度。其次，開展中國典型城市工況下的電耗仿真，仿真分析可知：寬禁帶半導(dǎo)體碳化硅技術(shù)可以降低城市電動汽車電耗4.43%。最后，開展等速60kph～120kph的高速駕駛電耗分析，仿真分析可知：寬禁帶半導(dǎo)體碳化硅技術(shù)對60kph、80kph、100kph、120kph的電耗降低分別為2.22%，2.10%，2.63%，2.60%，60～120kph高速等速駕駛，平均高速電耗降低2.39%。綜合上述研究，可知寬禁帶半導(dǎo)體碳化硅技術(shù)更有利城市市區(qū)道路行駛電耗優(yōu)化。

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