宽禁带碳化硅半导体和电动汽车城市行驶电耗影响分析

伍魏明　窦炜　邢志乐　黄刚　葛昭

摘 要：本文研究了碳化硅宽禁带半导体对电动汽车行驶能耗的影响，对比分析碳化硅和硅基驱动系统的整车城市行驶电耗差异。基于纯电四驱车型，开展了电动汽车CLTC-P仿真电耗和台架试验验证。分析碳化硅对典型城市工况以及高速80到120kph的电耗节能影响。分析表明，碳化硅电驱动系统可以降低4.43%的典型城市工况电耗;城市80kph到120kph等速行驶工况下，平均电耗可降低2.39%。

关键词：碳化硅 宽禁带半导体 功率器件 电动汽车 城市驾驶电耗

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

為了实现碳达峰与碳中和要求，实现节能减排高质量发展，降低电动汽车的城市行驶电耗至关重要。目前市场使用的电驱动系统效率低，超过20%的电能通过热量方式耗散在电驱动系统上，提升电驱动系统的驱动效率至关重要[1]。电动汽车核心三电部件包括电驱动系统、电池系统和和整车控制系统[2]。传统的电驱动系统件采用的硅基芯片的功率器件，效率低、发热大。本文分析了先进的宽禁带半导体碳化硅功率器件在电动汽车的运用，可以大幅降低城市驾驶的电驱动系统耗电，改善驱动效率，提升整车续航性能，降低整车电耗[3]。王学梅[4]等人研究了碳化硅功率器件的工作特性，对比碳化硅功率器件和硅基功率器件的损耗分析。赵迁[5]等人分析了CLTC-P工况下整车的电耗，CLTC-P小负载工况占据70%。邓隐北[6]研究了电动汽车驱动的最新技术，介绍提升电动汽车驱动效率方法。目前研究碳化硅功率器件对城市高速公路、高架和城市市区驾驶工况电耗研究较少，因此，本文通过AVL cruise建立电动汽车电耗行驶模型，开展试验验证。基于AVL Cruise仿真模型研究了碳化硅功率器件对城市市区工况和城市高速公路、高架的电耗降低节能作用。

2 碳化硅宽禁带半导体在汽车电驱动系统的运用

电动汽车由高压电池提供驱动能源，高压电池输出能量到电驱动系统，通过传动轴系驱动车辆行驶[7]。电动汽车电驱动系统采用电机控制器（逆变器）技术控制输出，电机控制器通过调节功率器件的每一时刻的开关状态，将电池直流电转换为三相交流电，通过三相交流电控制电机输出转速和扭矩[8]。

新能源汽车的电驱动系统多采用硅基功率器件，如大众ID4，广汽Aion S，小鹏P7等。随着禁带半导体技术发展，碳化硅功率器件在效率上明显占优[9]。效率方面，一是碳化硅自身导通内阻小，降低了功率器件的导通损耗;二是碳化硅可以实现较低的开关损耗[10]。综合起来，碳化硅可以降低80%功率器件损耗。特斯拉Model3和比亚迪汉EV，电驱动系统运用碳化硅宽禁带半导体，电动汽车的电耗水平明显优化。

电动汽车的技术发展日趋成熟，降低电动汽车行驶电耗意义重大。论文介绍了碳化硅基和硅基电驱动系统效率图。硅基电驱动系统的测试效率如图1，系统最高效率>90%，最高驱动效率优于regen能量回收效率。由于碳化硅功率器件降低开关损耗和导通损耗，可以明显提升功率器件的效率，在保持电机和减速器不变的基础上，碳化硅电驱动系统的测试效率如图2，对比分析两个效率Map图，碳化硅电驱动系统的高效率驱动区域明显范围优于硅基电驱动系统。

3 电动汽车CLTC-P工况电耗仿真和台架试验开展

3.1 电动汽车关键参数和仿真模型构建

本文分析了四驱纯电车型的城市驾驶电耗优化，电动汽车采用三元锂电池、前后双电机的动力系统。基于AVL cruise软件建立四驱纯电车型的整车百公里电耗仿真模型，模型包括整车三电系统，传动系统，制动系统和轮胎系统，如图3所示。

论文研究纯电四驱车型参数如表1所示。

基于表1中整车属性参数，通过整车质量、迎风面积、风阻以及轮胎滚阻参数可以得到整车阻力曲线参数[11]，计算得到整车阻力参数如图5，基于整车阻力参数开展台架续航和电耗测试工作。

3.2 电动汽车CLTC-P工况电耗仿真

2021年发布的CLTC-P工况反映国内乘用车用户的驾驶行为，工况涵盖了城市和高速行驶行为。CLTC-P工况如图6，工况总时长1800s，最大车速为114kph，平均速度为28.94kph。基于AVL cruise软件开展CLTC-P驾驶工况的电耗仿真，软件建模界面如图3所示，模型输入参数见表2，仿真得到CLTC-P循环工况的转速和扭矩分布图，整车输出扭矩范围介于-150Nm到200Nm之间，转速范围介于0～9000RPM，如图7所示。同时可以看出CLTC-P工况中驱动加速工况多于减速能量回收工况，符合驾驶工况特性。

3.3 CLTC-P工况电耗台架电耗测试

基于AVL四驱台架开展电动汽车电耗性能试验，台架装置包括电池包系统、电驱动系统、低压负载系统以及功率分析仪。台架阻力曲线如图5，根据阻力曲线输入台架可以模拟不同工况的阻力特性，通过公路分析仪可以采集电池系统的输出电压和电流，积分计算初电池的放电容量。台架记录试验的里程信息，根据试验里程和电池放电量计算电耗，如图4所示。

硅基和碳化硅电驱动系统仿真和台架试验结果如图8。仿真和试验较为吻合一致，试验和仿真的区别是1.91%，原因包括台架工装影响和台架速度曲线控制波动等。

4 碳化硅对城市道路工况和等速高速工况电耗提升分析

4.1 碳化硅对典型城市道路工况的电耗仿真分析

中国典型城市道路工况如图6，根据图6速度工况开展数据分析：工况未涉及车速>60kph的工况，属于城市市区道路;典型城市道路工况总时长1314s，平均速度为16.06kph，平均车速低于CLTC-P工况。基于图3搭建的AVL cruise仿真模型，开展碳化硅电驱动系统对中国典型城市道路工况的电耗分析。

从中国典型城市道路工况转速和扭矩分布图7可知，纯电汽车在城市驾驶时，最高车速为60kph，电驱动最大输出转速接近4000RPM。最大驱动扭矩低于100Nm，最大能量回收扭矩接近-100Nm。和CLTC工况相比，典型城市工况下电驱动的转速和扭矩明显较小。

通过仿真对比硅基和碳化硅基的百公里电耗，仿真对比如图9，碳化硅电驱动系统可以降低4.43%的典型城市工况行驶电耗。

4.2 碳化硅对等速高速工况的电耗仿真分析

鑒于现在城市内部多有高架以及高速公路，研究了碳化硅对等速高速驾驶工况电耗的提升效果。基于等速高速60kph～120kph工况开展模拟仿真，等速高速工况的输出功率分布如图10。在等速60kph行驶时，驱动功率需求较小，不足10kw。随着车速的增加，输出功率需求明显提升，在120kph时候，驱动功率接近30kw。高速行驶时候，风阻是影响整车功率的主要因素，风阻和车速的平方成正相关，受到速度的影响明显。等速高速行驶时，60kph、80kph、100kph、120kph的电耗降低分别为2.22%，2.10%，2.63%，2.60%，如图11所示。60～120kph高速等速驾驶，平均高速电耗降低2.39%

5 结论

本文研究了宽禁带半导体碳化硅和电动汽车行驶电耗的影响。首先、论文搭建了AVL汽车电耗仿真模型，开展CLTC-P工况的电耗仿真，通过台架测试验证仿真模型的精度。其次，开展中国典型城市工况下的电耗仿真，仿真分析可知：宽禁带半导体碳化硅技术可以降低城市电动汽车电耗4.43%。最后，开展等速60kph～120kph的高速驾驶电耗分析，仿真分析可知：宽禁带半导体碳化硅技术对60kph、80kph、100kph、120kph的电耗降低分别为2.22%，2.10%，2.63%，2.60%，60～120kph高速等速驾驶，平均高速电耗降低2.39%。综合上述研究，可知宽禁带半导体碳化硅技术更有利城市市区道路行驶电耗优化。

参考文献：

[1]司文. 混合动力汽车电力驱动系统研究[D]. 江苏科技大学，2015.

[2]张鑫海. 纯电动客车动力直连系统性能试验及优化[D]. 重庆理工大学，2020.

[3]张午昀. 小型纯电动汽车电机驱动系统研究[D]. 广西科技大学.

[4]王学梅. 宽禁带碳化硅功率器件在电动汽车中的研究与应用[J]. 中国电机工程学报，2014，34（3）：371-371.

[5]赵迁，辛雨，马永志，等. NEDC切换到CLTC-P对纯电动汽车经济性的影响[C]. 2020.中国汽车工程学会年会论文集. 2020.

[6]邓隐北. 电动汽车驱动系统的最新技术[J]. 江苏机械制造与自动化，1999.

[7]牛欢欢，王志海，陈琳，等. 纯电动轿车三电匹配研究[J]. 汽车电器，2019，367（03）：10-14.

[8]王文杰. 基于SiC MOSFET的永磁同步高速电机驱动平台研发[D]. 中国矿业大学.

[9]钱伟. 电动汽车电驱动系统高效功率变换与控制研究[D]. 上海交通大学，2019.

[10]梁美. 碳化硅功率器件高速应用关键技术研究[D]. 北京交通大学，2017.

[11]刘振岗. 汽车行驶阻力在底盘测试功机上的实现及其计算机模拟分析[J]. 时代汽车，2019，304（01）：115-116.