电动汽车对加速性和续航里程的要求不断提升，从而对电驱系统功率密度和效率的要求也在不断提升。针对这一需求，分析了SiC半导体材料的优势，提出一种基于SiC的纯电驱动系统方案。分别对SiC基和Si基电驱动单元进行了台架对比测试，测试结果表明SiC基电驱动单元在不增加零件尺寸的前提下，可大幅提高输出功率与效率，进而提升电动汽车的加速性与续航里程。作为一种有效提升电动汽车性能的解决方案，SiC基电驱动单元将是未来高性能电动汽车的重要发展方向。
0引言
《节能与新能源汽车技术路线图2.0》明确了汽车技术“低碳化信息化智能”化发展方向预计到2035年,节能与新能源汽车销售晕占比达到50%
随着电动汽车的快速发展与普及,对加速性能和续航里程的要求不断提升加速性能主要受限于电驱动单元的功率,续航里程则主要受限于动力电池的能鼠密度及电驱动单元效率在短期内电池能量密度无法进一步突破,因此,寻找一种高功率密度高效率的电驱动单元来满足整车需求尤为重要
电驱动单元作为电动汽车的核心动力部件之一,其发展趋势是高集成高功率高效,率即将电机控制器驱动电机与减速器进行“三合一“集成基于对高功率密度与高效率的需求,本文开发了一款纯电动汽车用电驱动单元,对该电驱动单元从功率器件选型到整休系统方案加以阐述分别进行了SiC基和Si基电驱动单元的台架测试,结果表明SiC基电驱动单元可显著提升系统输出功率和效率
1SiC功率器件
1.1SiC材料特性
宽禁带半导体材料是继以Si和GaAs为代表的第一代第二代半导体材料之后,迅速发展起来的第三代新型半导体材料SiC作为第三代宽禁带半导体典型代表之一,具备高禁带宽度高击穿场强高电子饱和漂移速度高热导率等优势,可有效突破传统Si基半导体材料的物理极限表1选取了典型的三代半导体材料并对比了其材料特性
从表l可以看出SiC的禁带宽度是Si的3倍,击穿电场是Si的10倍,电子饱和漂移速度是Si的2倍,热导率是Si的3倍车用电力电子功率器件应用SiC材料,可以带来更高的器件耐电压更低的导通电阻更高的开关频率更低的的结壳热阻,非常契合车用电驱动单元高功率密度和高效率的技术要求
1.2SiCMOSFET
SiCMOSFET可有效降低损耗,但也存在栅极阙值电压小耐负压能力弱栅极寄生内阻大的缺点,高频应用存在电磁干扰(EMI)问题,这些都是目前行业面临的技术难点和挑战此外,SiC晶锭生长速度慢,衬底技术门槛高,供应商较少,造成了原材料价格高由千SiC材料硬度高,芯片外延栅氧切割和检测难度大,导致芯片良率较低高昂的原材料价格和较低的芯片良率也是目前市场无法大规模应用的主要瓶颈
2SiC基皂驱动单元设计
2.1系统整体方案
本文所述电驱动单元由电机控制器驱动电机及减速器三部分组成,为“三合一“集成设计其爆炸示意图如图2所示
该方案齿轴采用平行轴同轴布置,结构紧凑,驱动电机绕组采用发卡扁线设计,提升功率密度,电机控制器采用800V高电压平台设计,同时在相同外包络条件下,兼容S化基与Si基功率模块800V高电压平台的设计不仅能够充分发挥SiC自身材料的耐高压特性,同时也适配超级快充的需求
SiC基电驱动单元主要参数如表2所示
2.2SiC基电机控制器
2.2.1功率模块选型
2.2.2SiC基电机控制器结构设计
电机控制器的结构爆炸图如图4所示,主要包括电路板SiC功率模块冷却结构母线电容电流传感器滤波组件及壳体等其中控制板与驱动板一体化设计,提高体积利用率并节省接插件和线束,冷却结构可兼容SiC基和Si基功率模块,整体倒扣的方案可充分利用空间,提升电驱动单元的体积利用率
2.2.3SiC基驱动电路系统设计
SiCMOSFET与SiIGBT应用最显著的差异为其驱动电路不同,SiCMOSFET短路保护响应的要求更快[10],电压平台从400V提升到800V也对系统提出了更高的电气间隙和爬电距离要求本文SiC驱动电路设计系统架构图如图5所示,包括驱动板接口驱动芯片配置电路驱动芯片保护电路驱动电源供电电路以及模拟信号采集电路
驱动芯片原边匹配与配置电路主要包含原边驱动信号处理供电信号处理使能和复位信号处理故障信号处理等驱动芯片副边驱动与保护电路主要包含棚极驱动电路有源钳位保护电路门极钳位保护电路基千退饱和短路保护电路米勒效应保护电路等本文设计采用英飞凌1EDI3031AS芯片
驱动电源供电电路主要是将原边12V供电转换为副边驱动电源,驱动电源选择+15V和-4V,供SiC模块开关同时预留高压取电备份电源
2.3驱动电机设计
本文以270kW永磁同步电机(PMSM)进行电磁方案分析极槽配合方案为8极72槽,定子槽内6层绕组,硅钢片厚度为0.25mm,以降低电机铁损提升效率转子结构采用“双V"结构,并考虑凸极比来提升磁阻转矩输出,同时转子进行辅助槽设计来降低转矩波动驱动电机结构爆炸图及电磁方案设计分别如图6和图7所示
考虑到电压平台升级到800V,设计中采用高耐压漆包线及绝缘纸,结合SiCMOSFET产生的过冲电压,利用局部放电起始电压(PDIV)作为电机绝缘系统的校核参数,选用常温下漆包线和绝缘纸PDIV::::=:1500V的设计来保证电机整体方案的耐压性能
3电驱动单元台架测试
3.1外特性测试
为验证所设计系统的峰值扭矩和峰值功率输出能力,分别在500600700800V下进行台架外特性测试,其中台架设置电机控制器为液冷,驱动电机为油冷,试验时给定电机控制器的冷却水温为65"C,水流扯为10I/min,驱动电机的冷却回油温度为85"C图9给出了Si基和SiC基驱动电机系统的外特性曲线
从测试结果可知,S正基驱动电机系统的峰值输出功率比Si基驱动电机系统的峰值输出功率最大可提升70%
3.2驱动电机系统效率测试
为验证所设计电驱系统的效率,在800V下进行台架效率测试,测试边界条件与上述外特性测试条件保持一致图10为Si基和SiC基驱动电机系统效率,其中Si基系统峰值效率达95.8%,SiC基系统峰值效率达96.8%
3.3SiC基与Si基驱动电机系统效率测试对比
为验证SiC与Si对测试的差异影响,本文在保持驱动电机和减速器设计不变的情况下,单独更换SiC电机控制器与Si电机控制器,分别进行台架效率测试图11为两者效率差值的MAP从图11可知,SiC基驱动电机系统效率高于Si基驱动电机系统,平均效率可提升2%~3%
4结语
本文通过分析SiC的材料特性的优势,开发了一种基千SiC的车用纯电驱动单元,分别从整休方案电机控制器方案驱动电机方案阐述了各子系统设计,最终进行了台架对比测试测试结果表明SiC基电驱动单元效率比Si基电驱动单元效率平均可提升2%~3%,且在尺寸不变的情况下,SiC基电驱动单元的输出功率可大幅提升SiC基电驱动单元是未来高性能电动汽车的重要应用和发展方向