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在EV中使用第4代SiC MOSFET:装入牵引逆变器实施模拟行驶试验

罗姆半导体集团 来源:罗姆半导体集团 2024-04-17 14:06 次阅读

关键要点

・使用电机试验台的测试结果,按照油耗测试方法WTLC进行了interwetten与威廉的赔率体系 行驶仿真,确认了第4代SiC MOSFET对电耗的改善效果。

・WLTC测试循环的各个速度段的电耗均可得到改善,与使用IGBT时相比,整体电耗改善约6%,市区模式下改善约10%。

・给用户带来的效益包括可以降低单位行驶里程的运行成本(电力成本)以及可以使用电池容量更小的电池。

在“EV应用”一文中,我们通过BEV电源架构的组成部分之一“牵引逆变器”,介绍了在其中使用第4代SiC MOSFET的效果。

第4代SiC MOSFET的特点

在降压型DC-DC转换器中使用第4代SiC MOSFET的效果

>电路工作原理和损耗分析

>DC-DC转换器实机验证

在EV应用中使用第4代SiC MOSFET的效果

>EV应用

>装入牵引逆变器实施模拟行驶试验

> 图腾柱PFC实机评估

在EV应用中使用第4代SiC MOSFET的效果

装入牵引逆变器实施模拟行驶试验

本文将介绍牵引逆变器的基本工作和在EV中的评估系统(电机试验台的测试环境)。然后,我们将使用其测试结果,按照乘用车油耗测试方法WTLC实施模拟行驶仿真,并通过示例来了解使用第4代SiC MOSFET改善电耗的效果。

逆变电路的工作

随着机电一体化(电机、减速器、逆变器)进程加速,降低损耗在实现高电压、高输出、小型轻量逆变器中的重要性日益凸显。这是因为降低损耗与EV的电耗性能是息息相关的。

如图1所示,为了驱动动力总成系统中的电机,牵引逆变器会将电池中存储的直流电转换为三相交流电。逆变器由三个半桥结构(每个半桥是1个桥臂,共3个桥臂)组成。三相交流波形按照与电机转速同步的频率信号波(基准正弦波)设置,三角波(调制波)按照决定开关频率的载波频率设置。提供给电机的电压是通过在生成PWM信号的过程中改变三相交流电和三角波的电平来实现的。

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图1. 常见的逆变器电路结构和驱动信号

电机试验台的测试环境

表1中列出了电机试验台以及供试逆变器中搭载的SiC器件的主要规格。供试逆变器由内置第4代SiC MOSFET裸芯片的二合一功率模块组成。

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表1. 电机实验台及供试逆变器主要规格

图2为电机试验台的测试环境,图3为供试逆变器(DUT Inverter),图4为控制系统框图。通过供试逆变器的三相UVW动力线来驱动供试电机。供试电机与负载电机连接,负载电机根据车辆参数计算出的行驶阻力进行负载扭矩控制,可进行目标车辆参数的模拟行驶实验。

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图2.电机试验台的测试环境

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图3. 供试逆变器(DU TInverter)

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图4. 电机试验台控制系统框图

关于行驶阻力,如图5和公式(1)~(4)所示,考虑到了空气阻力FAD、滚动阻力FRR、坡道阻力FRG、加速阻力FACC。

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图5.行驶阻力

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Cd:空气阻力系数

A:正面投影面积

ρ:干燥空气密度

μ:滚动阻力系数

m:车辆重量

Δm:旋转体的等效惯性质量

α:加速度 v:车速

g:重力加速度

模拟行驶所用的国际标准WLTC模式油耗测试

图6所示的WLTC(Worldwide harmonized Light duty driving Test Cycle:全球统一轻型车辆测试循环)是乘用车等的尾气排放量和油耗测试方法(WLTP:Worldwide harmonized Light vehicles Test Procedure)中规定的车辆行驶测试循环。

WLTP是由联合国欧洲经济委员会在2014年举办的第162届联合国世界车辆法规协调论坛(WP29)上被采用为全球统一汽车威廉希尔官方网站 法规(GTR:Global Technical Regulation)的。该循环由低速、中速、高速和超高速(Low、Middle、High、Extra-High)四个部分组成,在日本,检测供试车辆的尾气排放量和油耗时不包括超高速(Extra-High)段的测试循环。

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图6. WLTC(世界统一测试循环)概要

使用前述的电机试验台,输入基于WLTC测试循环的模拟行驶测试条件,在逆变器中分别使用了第4代SiC MOSFET和IGBT的两种情况下,进行了行驶电耗测试。

图7是针对C级EV的电耗测试结果。结果证明,如果用第4代SiC MOSFET取代传统的IGBT,可以改善WLTC测试循环各个速度段的电耗。与使用IGBT时相比,整体电耗改善约6%,市区模式下改善约10%。

作为参考,在图8中提供了逆变器效率MAP图(在NT曲线基础上增加了效率信息)。从这里的结果也可以看出,在市区行驶模式中经常出现的高扭矩和低转速范围内,效率显著提升。

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图7. 电耗测试结果

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图8. WLTC 油耗测试中的逆变器效率 MAP 图

下面我们举例来说明改善电耗可以给用户带来哪些效益。从“可以降低单位行驶里程的运行成本(电力成本)”和“可以使用电池容量更小的电池”两方面来考虑可能更易于理解。表3是在郊区模式下的推算的效益示例。与使用IGBT时相比,假设电耗改善5.5%,就意味着1万公里的行驶里程可以节省2,000日元,采用100kWh的电池可以节省5.5万日元(表2)。

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表2. 电耗改善与用户效益



审核编辑:刘清

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原文标题:R课堂 | 在EV应用中使用第4代SiC MOSFET的效果:装入牵引逆变器实施模拟行驶试验

文章出处:【微信号:罗姆半导体集团,微信公众号:罗姆半导体集团】欢迎添加关注!文章转载请注明出处。

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