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上汽大众与臻驱科技联合开发的首款碳化硅“三合一”电桥完成试制

2022-08-08 14:36:28 臻驱科技(上海)有限公司 阅读

日前,由上汽大众与臻驱科技共同开发的首个基于碳化硅SiC技术的“三合一”电驱动系统试制完成并亮相大众IVET创新技术论坛。经上汽大众测试,这款搭载臻驱科技碳化硅SiC电控的“三合一”电驱动系统可提升ID 4X车型至少4.5%的续航里程。

 

可为上汽大众ID 4X车型提升至少4.5%的整车续航里程

 

碳化硅SiC,第三代功率半导体的代表材料,是业内公认的下一代电驱动产品的核心技术之一。凭借其耐高压、高频、高温的特性,基于碳化硅SiC材料的电驱动解决方案能够使电驱动系统效率更高,损耗更低,重量更轻,结构更紧凑,在相同功率下实现轻量化的产品设计。当前,全球仅有特斯拉等少数主机厂实现了碳化硅SiC材料的大规模量产应用。

 

搭载臻驱科技碳化硅SiC电机控制器的 MEB“三合一”电桥

 

作为国内领先的碳化硅SiC电驱动系统解决方案供应商,臻驱科技早在2021年上半年便与上汽大众开启了该预研项目的合作,为上汽大众开发匹配MEB平台“三合一”电桥的碳化硅SiC电机控制器。在接到项目任务后,臻驱科技组织骨干力量投入技术攻坚和产品研发,快速响应上汽大众的定制化需求。

 

臻驱科技SiC功率模块和电控项目组

 

臻驱科技总经理助理夏雨昕博士表示:“本次与上汽大众的合作是臻驱科技自研碳化硅SiC功率模块及电控首次搭载于“三合一”电桥,对于EMC设计、轴电流、抗振动等提出了新的挑战。尽管面临时间紧、任务重、压力大的困难,臻驱科技项目团队凭借深厚的技术积累,始终保持高效的研发质量和速度,逐一解决了在研发进程中各个技术难点。”

 

采用日本罗姆ROHM第四代碳化硅SiC芯片的电机控制器

 

碳化硅SiC电控系统的开发难点主要在于SiC模块的本体设计及高速开关带来的系统EMC问题应对。臻驱科技开发的这台电机控制器采用了日本罗姆ROHM最新发布的第四代碳化硅SiC芯片。相较于传统的IGBT器件,SiC器件在实际多芯片并联应用时会出现许多本体设计挑战,如多芯片间的电流不均衡会导致进一步的热不均限制芯片的满额使用(如图1改善前与改善后的对比),芯片结电容与回路漏感构成的LC谐振,同时高的di/dt在回路漏感上产生较大的电压过冲限制了模块的输出能力等,综合来看重点在于多维度设计考虑,避免单一因素的短板效应制约SiC在输出能力、效率等方面的优势。同时还需考虑工艺及成本选择适合现有系统的封装方案,而不是一味地引入新的材料和工艺技术。

 

图1:改善前

 

图1:改善后

 

SiC的引入也直接带来了更大的di/dt及dv/dt噪声,伴随而来的则是更严峻的EMC和轴电流问题。(如下图2可看到SiC较IGBT噪声的变化)同时DC线缆无屏蔽层配置也对高压滤波器的设计提出了更高的要求。不过值得庆幸的是,对于电桥产品,AC侧采用和电机直插的形式,帮助优化了高频由于原高压线缆带来的行波谐振问题(图3)。诸如此类的分析都需要基于电磁学本质,在开发早期进行定量分析,精准设计EMC滤波器、板卡布局、结构屏蔽等。

 

 

图2  重复性脉冲频谱对比,相较IGBT可看到由于SiC高速开关带来的MHz级幅值抬升,以及振荡带来的20MHz左右频谱尖峰

 

图3  基于单电控的噪声频率对比,AC侧采用直插形式后可观察到原长线缆带来的高频行波振荡消除

 

除产品设计外,科学测试及DoE也是开发过程的关键环节。在过去的半年中,臻驱科技团队与上汽大众紧密配合,快速迭代完成了数轮测试验证。在经历长达六个月的开发周期后,12月1日,这款由臻驱科技与上汽大众共同开发的碳化硅SiC“三合一”电桥亮相大众IVET创新技术论坛。根据上汽大众方面测试显示,这款碳化硅SiC“三合一”电桥产品不仅完美匹配MEB平台的严苛技术需求,而且效率对比目前产品有了全方面提升。其中,臻驱科技开发的碳化硅SiC电控的最高效率达到业界领先的99.9%,未来搭载该产品的ID 4X车型可提升至少4.5%的整车续航里程。这也是臻驱科技的碳化硅技术对于电动车效率优势,首次在国际一线主机厂得到印证。

 

此预研项目的碳化硅SiC“三合一”电桥的产品性能同样得到德国大众狼堡同事的高度评价和一致认可:“该款碳化硅SiC‘三合一’电桥性能非常出色。对比现有的电桥产品,这款碳化硅SiC“三合一”电桥在能耗方面每百公里可节约0.645kW·h电能,而在EMC方面的成绩也毫不逊色,很多分项成绩甚至实现了反超。”

 

2020年臻驱科技基于自研仿真测试工具测得搭载臻驱碳化硅SiC电控的整车能耗,对比传统IGBT方案续航里程可增加4.4%。 而此次与上汽大众合作测得数据为4.5%。两者极其接近的结果充分印证臻驱科技扎实的研发能力和仿真工具的精确表现,同时更坚定了臻驱科技在纯电动汽车的碳化硅路线方案,未来臻驱科技将进一步拥抱电动化未来,助力全球环境的可持续发展。

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