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新模块对电机设计的影响,逆变器有望提升
 
虽然不断改进的电池技术在提高电动汽车的续航能力方面吸引了很多人的注意,但这些机器的许多活动部件在其整体性能中发挥着作用。弗劳恩霍夫可靠性和微集成研究所的科学家们通过重新设想电源逆变器将电流从电池传递到电动机的方式,发明了一种新的电源逆变器设计,这种设计的效率更高,有望将电动车的续航能力提高6%。从传统意义上讲,电机和电源是两个相对孤立的事物,电机设计过程中,以相对恒定的电源电压和频率作为先决条件进行,一般不考虑电源部分的影响。随着调速和节能电机的开发和应用,可控电源很快进入大众视线,于是带来了一个新问题:可控电源如何与电机更好地匹配?

逆变器是一种将直流电转换为交流电的电子设备,在电动汽车中,它从电池中获取电力并将其转换为电动机的运行。作为电池和电机之间的中介,逆变器及其晶体管被用来处理大电流,这导致它们在车辆使用过程中温度升高。从供电及运行系统的配置对比,常规意义上的电机系统包括恒定电压和频率的交流电源、电机和被拖动负载,而采用可控电源供电的系统引入了电子变换器,该变换器可以实现对电机供电电压和频率的调节。

为了解决这个问题,电动汽车中的功率逆变器使用固体冷却元件,其特点是将管道置于水中以引导热量的消散。这些冷却元件正是弗劳恩霍夫的科学家们关注的焦点,他们一直在为由碳化硅半导体制成的逆变器开发先进的晶体管,这些晶体管在电动汽车运行时可提供较低的功率损耗率。大多数电机试验设备都已更换为可控电源,分割为许多精密度非常高的功能模块,可以实现高、低电压等级,以及电源频率的灵活转换,满足高低压电机、工频和变频电机试验的不同需求。对于电机的终端客户,不可能、也没必要配置各类高精度模块,直接以最小配置单元用变频器给电机供电,具备最基本的电压和频率调整功能,适应于大多数应用场合,但是变频器品质的不同会对电机的运行可靠性产生比较大的影响。

该团队着手为这些先进的晶体管设计冷却元件,同时不影响碳化硅半导体提供的功率增益。他们利用3D打印技术生产出壁厚更薄的冷却元件,并将晶体管放置在一块厚度仅为几毫米的薄金属板上。可控电源供电的电机驱动系统已经成为环保、城市供热和供水在节能改造方面的重要途径,但可控电源所固有的高频波对电机绕组冲击的危害开始以各种形式显现出来。如不明原因的振动、噪音故障,轴承发热,现场绕组温升明显高于工厂试验状态等一些问题。因此,电机的设计和分析阶段,应对电机的机械特性、电气性能进行模拟仿真,针对客户现场反馈的问题,优化专项指标。

这种更薄的设计的结果是晶体管更接近冷却水,从而提高了冷却效果。冷却管道作为结构部件,支撑着金属板,而材料的纤薄特性使它们能够在逆变器加热和冷却时通过轻微变形吸收应力。此外,灵活的铜线将整个部件绑在一起,而不是实心的铜轨,进一步减少了运行期间的压力。在电机的实际应用中我们可以发现,专门用于变频器驱动的变频电机,对绕组的可靠性要求非常高,轴承系统也更容易受到轴电流的侵蚀而发生故障或崩溃。尽管不少的电机厂家采取了一些改进措施,但以上提及的设计环节仿真分析和针对性优化措施才是稳步改进、彻底消除各类故障问题的关键。英飞凌称,其客户为现代汽车,现代旗下基于E-GMP平台打造的现代IONIQ(艾尼氪) 5和起亚EV6车型,将搭载英飞凌的800V技术。“英飞凌的CoolSiC解决方案损耗更低,从而提高了效率,使得纯电动车的续航提升了5%以上。”现代汽车集团电气化发展团队负责人称。据悉,新的SiC功率模块已经在生产中,并将于2021年6月上市。

预计通过以这种方式优化驱动系统,电动汽车的续航能力最终将延长6%。英飞凌将推出一种应用于汽车的新型电源模块,该模块采用CoolSiC MOSFET技术,在相同条件下,该模块使用SiC(碳化硅),使得驱动系统中的功率模块可拥有更高的性能。据悉,该电源模块将在现代IONIQ(艾尼氪)5上首先搭载。

但是,要把这个原型变成生产车辆的功能部件,还有很长的路要走,尽管研究人员将在接下来的几个月里对其潜力有更好的了解。这包括与博世以及保时捷合作进行测试,后者将在专门为其设计的新传动系统中安装和测试逆变器。英飞凌称,该模块提供两种不同的芯片数版本――400A或200A额定电流版本,产品最高可提供250kW的功率,更小的电池尺寸以及以更低的成本。新的CoolSiC模块使用英飞凌的碳化硅沟槽MOSFET结构,能获得更高的芯片密度,英飞凌创新与新兴技术主管MarkMünzer表示:“随着SiC器件价格的大幅下降,SiC解决方案的商业化将加速,从而使SiC技术被广泛应用于提升电动车的续航里程。”
 
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