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    SiC逆變器想讓保時捷純電跑車飛起來 冷卻耐壓,續航提升6%

    說到電動汽車的續航里程,我們很多人都會自然而然地想到電池。電池儲存的能量越多,汽車就開得越遠。不過,電池并不是延長續航里程的全部。實際上,整個動力系統的效率也起著舉足輕重的作用。

    柏林的弗勞恩霍夫可靠性和微集成研究所(Fraunhofer Institute for Reliability and Microintegration)的一個團隊正在為保時捷動力傳動系開發一種電子控制單元,即所謂的電源逆變器,它能夠比現有方案更有效地轉換電池和電機之間的能量。

     

    保時捷碳化硅電源逆變器

     

    電源逆變器位于電池和電機之間的中心位置,高電流流過電源逆變器及其晶體管,把來自電池的直流電轉換成驅動電機的交流電。為了防止設備像烤面包機一樣發熱,熱量必須通過冷卻元件排出,做到冷卻良好,效率高。

     

    里程增加多達6%

    在稱為SiCeffizient的項目中,研究人員及其行業合作伙伴的專家們使用特別高效的碳化硅(SiC)半導體制造的晶體管,以確保電流流過晶體管時消耗的功率更小。

    不過,這些半導體相對昂貴,因此,使用最少數量的晶體管是一個挑戰。因為每一個碳化硅器件都會消耗更多的能量,發熱更強烈,所以需要地其進行很好的冷卻。研究人員完全重新設計了電源逆變器的冷卻元件,以使冷卻效果最佳,同時保持相同的耗散率。

    特別是在車輛加速、制動和高速行駛時,由于大量電流在電機、電源逆變器和蓄電池之間來回流動,逆變器會出現功率損耗,碳化硅半導體可以減少這些損耗。

    負責該項目的Eugen Erhardt說“我們預計,通過這種方式優化傳動系統,電動汽車的里程最終將增加6%。聽起來不算多,但事實上這是很大的改進。在電動汽車電池方面,這種性能提升只能通過增加電池數量或通過相當大的研究努力來實現。”

     

    3D打印耐壓散熱片

    電動汽車的電源逆變器是用水冷卻的。晶體管中積聚的熱量通常通過固體冷卻元件排出。冷卻導管也稱為散熱片需要浸入水中散熱。為了冷卻這些發熱很高的碳化硅晶體管,專家們通過3D打印技術制造了一種壁相對較薄的冷卻元件。這種元件的排列方式使晶體管位于一塊只有幾毫米厚的金屬板上。這樣,晶體管更靠近冷卻水,加強了冷卻效果。

    為了防止薄金屬板在負載下變形,利用3D打印機建模的散熱片就像穹頂上的柱子一樣支撐金屬板。這種結構非常穩定,使得冷卻元件能夠承受冷卻水的壓力和晶體管燒結在冷卻元件上時產生的應力。

    通常,電源模塊由不同的材料組成,以實現所需的不同功能。問題是至于,當被加熱時,不同的材料會以不同的速率膨脹,從而在結構中產生應力。這會導致電源逆變器出現破裂和故障。新的冷卻元件也解決了這個問題。由于金屬板非常薄,它們能夠補償由于輕微變形而加熱或冷卻時產生的應力。因此,整個熱電結構非常靈活。重要的是,這節省了昂貴的碳化硅半導體并延長其使用壽命。

     

    銅線可防止裂紋

    另外還有一些東西可以減輕新的電源逆變器模塊的壓力。它們通常用實心銅導線與其他電子元件相連。相反,由冷卻元件和SiC晶體管組成的結構通過絞合的柔性細銅線與電子系統的其余部分相連。

    新的電源逆變器將在未來幾個月在項目合作伙伴羅伯特·博世(Robert Bosch)的工廠進行測試。博世是弗勞恩霍夫研究所的項目合作伙伴,過去幾年在能源研究方面投入了大量資金,2017年發布了用于混合動力汽車的48伏汽車鋰離子電池,2019年進入汽車碳化硅應用領域。

    經過博世測試后,保時捷公司將在一種新型傳動系統中安裝這種采用SiC器件的電源逆變器。“在該設備投入生產之前,我們還有一段路要走,首先,我們把所有的東西放在一起創建一個原型。然后需要進一步優化各個流程步驟,”Eugen Erhardt說。

     

    保時捷純電跑車Mission E

    Mission E是保時捷打造的純電動跑車,預計將于2021年底正式開賣。性能方面,項目負責人Stefan Weckbach說:“我們的核心專業在于復雜、高效和高性能的動力系統,看看918 Spyder或919 Hybrid就知道了。”

    毫無疑問,它是一輛跑車。但它不是人們所期待的跑車,其動力系統是全新的,卻又像每一輛保時捷一樣,采用基于賽車運動的測試過的技術。

    兩個永磁同步電機(PSM,①和②)類似于贏得勒芒的919混合動力車,既驅動汽車又在制動時回收能量。其中一個電機驅動后軸,另一個電機驅動前軸,總輸出功率超過600馬力(440千瓦),在3.5秒內將Mission E彈射到60英里/小時,在12秒內彈射到124英里/小時。

    PSM是電機中的渦輪發動機,將電能轉換成推進力,非常有效和犀利,并在這個過程中積累相對較少的熱量。這意味著它們會很快冷卻下來。

    Mission E采用未來將流行的800伏動力總成,可縮短充電時間并延長續航里程。鋰離子電池③集成在車身底部,改善了重量分配,也可實現感應(無線)充電。常規充電端口位于左前翼子板中④。

     

    保時捷純電Mission E動力系統

     

    看看吧,800伏高壓系統恰恰是碳化硅高溫性能的用武之地。好期待碳化硅逆變器為保時捷純電動動力總成帶來強勁動力!


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