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SiC逆变器想让保时捷纯电跑车飞起来 冷却耐压,续航提升6%

说到电动汽车的续航里程,我们很多人都会自然而然地想到电池。电池储存的能量越多,汽车就开得越远。不过,电池并不是延长续航里程的全部。实际上,整个动力系统的效率也起着举足轻重的作用。

柏林的弗劳恩霍夫可靠性和微集成研究所(Fraunhofer Institute for Reliability and Microintegration)的一个团队正在为保时捷动力传动系开发一种电子控制单元,即所谓的电源逆变器,它能够比现有方案更有效地转换电池和电机之间的能量。

 

保时捷碳化硅电源逆变器

 

电源逆变器位于电池和电机之间的中心位置,高电流流过电源逆变器及其晶体管,把来自电池的直流电转换成驱动电机的交流电。为了防止设备像烤面包机一样发热,热量必须通过冷却元件排出,做到冷却良好,效率高。

 

里程增加多达6%

在称为SiCeffizient的项目中,研究人员及其行业合作伙伴的专家们使用特别高效的碳化硅(SiC)半导体制造的晶体管,以确保电流流过晶体管时消耗的功率更小。

不过,这些半导体相对昂贵,因此,使用最少数量的晶体管是一个挑战。因为每一个碳化硅器件都会消耗更多的能量,发热更强烈,所以需要地其进行很好的冷却。研究人员完全重新设计了电源逆变器的冷却元件,以使冷却效果最佳,同时保持相同的耗散率。

特别是在车辆加速、制动和高速行驶时,由于大量电流在电机、电源逆变器和蓄电池之间来回流动,逆变器会出现功率损耗,碳化硅半导体可以减少这些损耗。

负责该项目的Eugen Erhardt说“我们预计,通过这种方式优化传动系统,电动汽车的里程最终将增加6%。听起来不算多,但事实上这是很大的改进。在电动汽车电池方面,这种性能提升只能通过增加电池数量或通过相当大的研究努力来实现。”

 

3D打印耐压散热片

电动汽车的电源逆变器是用水冷却的。晶体管中积聚的热量通常通过固体冷却元件排出。冷却导管也称为散热片需要浸入水中散热。为了冷却这些发热很高的碳化硅晶体管,专家们通过3D打印技术制造了一种壁相对较薄的冷却元件。这种元件的排列方式使晶体管位于一块只有几毫米厚的金属板上。这样,晶体管更靠近冷却水,加强了冷却效果。

为了防止薄金属板在负载下变形,利用3D打印机建模的散热片就像穹顶上的柱子一样支撑金属板。这种结构非常稳定,使得冷却元件能够承受冷却水的压力和晶体管烧结在冷却元件上时产生的应力。

通常,电源模块由不同的材料组成,以实现所需的不同功能。问题是至于,当被加热时,不同的材料会以不同的速率膨胀,从而在结构中产生应力。这会导致电源逆变器出现破裂和故障。新的冷却元件也解决了这个问题。由于金属板非常薄,它们能够补偿由于轻微变形而加热或冷却时产生的应力。因此,整个热电结构非常灵活。重要的是,这节省了昂贵的碳化硅半导体并延长其使用寿命。

 

铜线可防止裂纹

另外还有一些东西可以减轻新的电源逆变器模块的压力。它们通常用实心铜导线与其他电子元件相连。相反,由冷却元件和SiC晶体管组成的结构通过绞合的柔性细铜线与电子系统的其余部分相连。

新的电源逆变器将在未来几个月在项目合作伙伴罗伯特·博世(Robert Bosch)的工厂进行测试。博世是弗劳恩霍夫研究所的项目合作伙伴,过去几年在能源研究方面投入了大量资金,2017年发布了用于混合动力汽车的48伏汽车锂离子电池,2019年进入汽车碳化硅应用领域。

经过博世测试后,保时捷公司将在一种新型传动系统中安装这种采用SiC器件的电源逆变器。“在该设备投入生产之前,我们还有一段路要走,首先,我们把所有的东西放在一起创建一个原型。然后需要进一步优化各个流程步骤,”Eugen Erhardt说。

 

保时捷纯电跑车Mission E

Mission E是保时捷打造的纯电动跑车,预计将于2021年底正式开卖。性能方面,项目负责人Stefan Weckbach说:“我们的核心专业在于复杂、高效和高性能的动力系统,看看918 Spyder或919 Hybrid就知道了。”

毫无疑问,它是一辆跑车。但它不是人们所期待的跑车,其动力系统是全新的,却又像每一辆保时捷一样,采用基于赛车运动的测试过的技术。

两个永磁同步电机(PSM,①和②)类似于赢得勒芒的919混合动力车,既驱动汽车又在制动时回收能量。其中一个电机驱动后轴,另一个电机驱动前轴,总输出功率超过600马力(440千瓦),在3.5秒内将Mission E弹射到60英里/小时,在12秒内弹射到124英里/小时。

PSM是电机中的涡轮发动机,将电能转换成推进力,非常有效和犀利,并在这个过程中积累相对较少的热量。这意味着它们会很快冷却下来。

Mission E采用未来将流行的800伏动力总成,可缩短充电时间并延长续航里程。锂离子电池③集成在车身底部,改善了重量分配,也可实现感应(无线)充电。常规充电端口位于左前翼子板中④。

 

保时捷纯电Mission E动力系统

 

看看吧,800伏高压系统恰恰是碳化硅高温性能的用武之地。好期待碳化硅逆变器为保时捷纯电动动力总成带来强劲动力!


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