伍魏明　竇煒　邢志樂(lè)　黃剛　葛昭

摘 要：本文研究了碳化硅寬禁帶半導(dǎo)體對(duì)電動(dòng)汽車行駛能耗的影響，對(duì)比分析碳化硅和硅基驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的整車城市行駛電耗差異。基于純電四驅(qū)車型，開(kāi)展了電動(dòng)汽車CLTC-P仿真電耗和臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證。分析碳化硅對(duì)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(dòng)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(dòng)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(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰與碳中和要求，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排高質(zhì)量發(fā)展，降低電動(dòng)汽車的城市行駛電耗至關(guān)重要。目前市場(chǎng)使用的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率低，超過(guò)20%的電能通過(guò)熱量方式耗散在電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)上，提升電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)效率至關(guān)重要[1]。電動(dòng)汽車核心三電部件包括電驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(dòng)汽車的運(yùn)用，可以大幅降低城市駕駛的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)耗電，改善驅(qū)動(dòng)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(duì)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(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)的最新技術(shù)，介紹提升電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)效率方法。目前研究碳化硅功率器件對(duì)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(guò)AVL cruise建立電動(dòng)汽車電耗行駛模型，開(kāi)展試驗(yàn)驗(yàn)證?；贏VL Cruise仿真模型研究了碳化硅功率器件對(duì)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(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)用

電動(dòng)汽車由高壓電池提供驅(qū)動(dòng)能源，高壓電池輸出能量到電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，通過(guò)傳動(dòng)軸系驅(qū)動(dòng)車輛行駛[7]。電動(dòng)汽車電驅(qū)動(dòng)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(guò)調(diào)節(jié)功率器件的每一時(shí)刻的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，將電池直流電轉(zhuǎn)換為三相交流電，通過(guò)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(dòng)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(shí)現(xiàn)較低的開(kāi)關(guān)損耗[10]。綜合起來(lái)，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(dòng)系統(tǒng)運(yùn)用碳化硅寬禁帶半導(dǎo)體，電動(dòng)汽車的電耗水平明顯優(yōu)化。

電動(dòng)汽車的技術(shù)發(fā)展日趨成熟，降低電動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)效率圖。硅基電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的測(cè)試效率如圖1，系統(tǒng)最高效率>90%，最高驅(qū)動(dòng)效率優(yōu)于regen能量回收效率。由于碳化硅功率器件降低開(kāi)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(dòng)系統(tǒng)的測(cè)試效率如圖2，對(duì)比分析兩個(gè)效率Map圖，碳化硅電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的高效率驅(qū)動(dòng)區(qū)域明顯范圍優(yōu)于硅基電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

3 電動(dòng)汽車CLTC-P工況電耗仿真和臺(tái)架試驗(yàn)開(kāi)展

3.1 電動(dòng)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(dòng)汽車采用三元鋰電池、前后雙電機(jī)的動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)，制動(dòng)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(guò)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(jì)算得到整車阻力參數(shù)如圖5，基于整車阻力參數(shù)開(kāi)展臺(tái)架續(xù)航和電耗測(cè)試工作。

3.2 電動(dòng)汽車CLTC-P工況電耗仿真

2021年發(fā)布的CLTC-P工況反映國(guó)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(shí)長(zhǎng)1800s，最大車速為114kph，平均速度為28.94kph?；贏VL cruise軟件開(kāi)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(jiàn)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(shí)可以看出CLTC-P工況中驅(qū)動(dòng)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(tái)架電耗測(cè)試

基于AVL四驅(qū)臺(tái)架開(kāi)展電動(dòng)汽車電耗性能試驗(yàn)，臺(tái)架裝置包括電池包系統(tǒng)、電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、低壓負(fù)載系統(tǒng)以及功率分析儀。臺(tái)架阻力曲線如圖5，根據(jù)阻力曲線輸入臺(tái)架可以模擬不同工況的阻力特性，通過(guò)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(jì)算初電池的放電容量。臺(tái)架記錄試驗(yàn)的里程信息，根據(jù)試驗(yàn)里程和電池放電量計(jì)算電耗，如圖4所示。

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

4 碳化硅對(duì)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(duì)典型城市道路工況的電耗仿真分析

中國(guó)典型城市道路工況如圖6，根據(jù)圖6速度工況開(kāi)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(shí)長(zhǎng)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(kāi)展碳化硅電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)對(duì)中國(guó)典型城市道路工況的電耗分析。

從中國(guó)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(shí)，最高車速為60kph，電驅(qū)動(dòng)最大輸出轉(zhuǎn)速接近4000RPM。最大驅(qū)動(dòng)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(dòng)的轉(zhuǎn)速和扭矩明顯較小。

通過(guò)仿真對(duì)比硅基和碳化硅基的百公里電耗，仿真對(duì)比如圖9，碳化硅電驅(qū)動(dòng)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(duì)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(duì)等速高速駕駛工況電耗的提升效果。基于等速高速60kph～120kph工況開(kāi)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(shí)，驅(qū)動(dòng)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(shí)候，驅(qū)動(dòng)功率接近30kw。高速行駛時(shí)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(shí)，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(dòng)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(kāi)展CLTC-P工況的電耗仿真，通過(guò)臺(tái)架測(cè)試驗(yàn)證仿真模型的精度。其次，開(kāi)展中國(guó)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(dòng)汽車電耗4.43%。最后，開(kāi)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(duì)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。

參考文獻(xiàn)：

[1]司文. 混合動(dòng)力汽車電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)研究[D]. 江蘇科技大學(xué)，2015.

[2]張?chǎng)魏? 純電動(dòng)客車動(dòng)力直連系統(tǒng)性能試驗(yàn)及優(yōu)化[D]. 重慶理工大學(xué)，2020.

[3]張午昀. 小型純電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)研究[D]. 廣西科技大學(xué).

[4]王學(xué)梅. 寬禁帶碳化硅功率器件在電動(dòng)汽車中的研究與應(yīng)用[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2014，34（3）：371-371.

[5]趙遷，辛雨，馬永志，等. NEDC切換到CLTC-P對(duì)純電動(dòng)汽車經(jīng)濟(jì)性的影響[C]. 2020.中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)年會(huì)論文集. 2020.

[6]鄧隱北. 電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的最新技術(shù)[J]. 江蘇機(jī)械制造與自動(dòng)化，1999.

[7]牛歡歡，王志海，陳琳，等. 純電動(dòng)轎車三電匹配研究[J]. 汽車電器，2019，367（03）：10-14.

[8]王文杰. 基于SiC MOSFET的永磁同步高速電機(jī)驅(qū)動(dòng)平臺(tái)研發(fā)[D]. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué).

[9]錢偉. 電動(dòng)汽車電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)高效功率變換與控制研究[D]. 上海交通大學(xué)，2019.

[10]梁美. 碳化硅功率器件高速應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 北京交通大學(xué)，2017.

[11]劉振崗. 汽車行駛阻力在底盤測(cè)試功機(jī)上的實(shí)現(xiàn)及其計(jì)算機(jī)模擬分析[J]. 時(shí)代汽車，2019，304（01）：115-116.