寬禁帶碳化硅半導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體對電動汽車行駛能耗的影響，對比分析碳化硅和硅基驅動系統的整車城市行駛電耗差異?；诩冸娝尿屲囆?，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的電耗節能影響。分析表明，碳化硅電驅動系統可以降低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%。

關鍵詞：碳化硅 寬禁帶半導體 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

為了實現碳達峰與碳中和要求，實現節能減排高質量發展，降低電動汽車的城市行駛電耗至關重要。目前市場使用的電驅動系統效率低，超過20%的電能通過熱量方式耗散在電驅動系統上，提升電驅動系統的驅動效率至關重要[1]。電動汽車核心三電部件包括電驅動系統、電池系統和和整車控制系統[2]。傳統的電驅動系統件采用的硅基芯片的功率器件，效率低、發熱大。本文分析了先進的寬禁帶半導體碳化硅功率器件在電動汽車的運用，可以大幅降低城市駕駛的電驅動系統耗電，改善驅動效率，提升整車續航性能，降低整車電耗[3]。王學梅[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小負載工況占據70%。鄧隱北[6]研究了電動汽車驅動的最新技術，介紹提升電動汽車驅動效率方法。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工況和城市高速公路、高架的電耗降低節能作用。

2 碳化硅寬禁帶半導體在汽車電驅動系統的運用

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

新能源汽車的電驅動系統多采用硅基功率器件，如大眾ID4，廣汽Aion S，小鵬P7等。隨著禁帶半導體技術發展，碳化硅功率器件在效率上明顯占優[9]。效率方面，一是碳化硅自身導通內阻小，降低了功率器件的導通損耗;二是碳化硅可以實現較低的開關損耗[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，電驅動系統運用碳化硅寬禁帶半導體，電動汽車的電耗水平明顯優化。

電動汽車的技術發展日趨成熟，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動系統效率圖。硅基電驅動系統的測試效率如圖1，系統最高效率>90%，最高驅動效率優于regen能量回收效率。由于碳化硅功率器件降低開關損耗和導通損耗，可以明顯提升功率器件的效率，在保持電機和減速器不變的基礎上，碳化硅電驅動系統的測試效率如圖2，對比分析兩個效率Map圖，碳化硅電驅動系統的高效率驅動區域明顯范圍優于硅基電驅動系統。

3 電動汽車CLTC-P工況電耗仿真和臺架試驗開展

3.1 電動汽車關鍵參數和仿真模型構建

本文分析了四驅純電車型的城市駕駛電耗優化，電動汽車采用三元鋰電池、前后雙電機的動力系統。基于AVL cruise軟件建立四驅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，傳動系統，制動系統和輪胎系統，如圖3所示。

論文研究純電四驅車型參數如表1所示。

基于表1中整車屬性參數，通過整車質量、迎風面積、風阻以及輪胎滾阻參數可以得到整車阻力曲線參數[11]，計算得到整車阻力參數如圖5，基于整車阻力參數開展臺架續航和電耗測試工作。

3.2 電動汽車CLTC-P工況電耗仿真

2021年發布的CLTC-P工況反映國內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，模型輸入參數見表2，仿真得到CLTC-P循環工況的轉速和扭矩分布圖，整車輸出扭矩范圍介于-150Nm到200Nm之間，轉速范圍介于0～9000RPM，如圖7所示。同時可以看出CLTC-P工況中驅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、電驅動系統、低壓負載系統以及功率分析儀。臺架阻力曲線如圖5，根據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。

硅基和碳化硅電驅動系統仿真和臺架試驗結果如圖8。仿真和試驗較為吻合一致，試驗和仿真的區別是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，根據圖6速度工況開展數據分析：工況未涉及車速>60kph的工況，屬于城市市區道路;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。基于圖3搭建的AVL cruise仿真模型，開展碳化硅電驅動系統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，電驅動最大輸出轉速接近4000RPM。最大驅動扭矩低于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動的轉速和扭矩明顯較小。

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，碳化硅電驅動系統可以降低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

鑒于現在城市內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。基于等速高速60kph～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，驅動功率接近30kw。高速行駛時候，風阻是影響整車功率的主要因素，風阻和車速的平方成正相關，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 結論

本文研究了寬禁帶半導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：寬禁帶半導體碳化硅技術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：寬禁帶半導體碳化硅技術對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，可知寬禁帶半導體碳化硅技術更有利城市市區道路行駛電耗優化。

參考文獻：

[1]司文. 混合動力汽車電力驅動系統研究[D]. 江蘇科技大學，2015.

[2]張鑫海. 純電動客車動力直連系統性能試驗及優化[D]. 重慶理工大學，2020.

[3]張午昀. 小型純電動汽車電機驅動系統研究[D]. 廣西科技大學.

[4]王學梅. 寬禁帶碳化硅功率器件在電動汽車中的研究與應用[J]. 中國電機工程學報，2014，34（3）：371-371.

[5]趙遷，辛雨，馬永志，等. NEDC切換到CLTC-P對純電動汽車經濟性的影響[C]. 2020.中國汽車工程學會年會論文集. 2020.

[6]鄧隱北. 電動汽車驅動系統的最新技術[J]. 江蘇機械制造與自動化，1999.

[7]牛歡歡，王志海，陳琳，等. 純電動轎車三電匹配研究[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驅動平臺研發[D]. 中國礦業大學.

[9]錢偉. 電動汽車電驅動系統高效功率變換與控制研究[D]. 上海交通大學，2019.

[10]梁美. 碳化硅功率器件高速應用關鍵技術研究[D]. 北京交通大學，2017.

[11]劉振崗. 汽車行駛阻力在底盤測試功機上的實現及其計算機模擬分析[J]. 時代汽車，2019，304（01）：115-116.