摘要：该团队通过对电驱系统中的功率损耗进行了全面的系统级分析，包括对电机损耗进行有限元分析，以及对“升压器+逆变器”系统损耗进行精确的数值评估，为汽车行业提供了一种可靠的方法，从而能够在损耗最小化框架内确定运行区域内的最佳直流链路电压。

近日，极氪和沃尔沃研究团队发表了一篇题为《基于最佳直流链路电压和同步升压转换器的电动汽车SiC电驱设计》文献。

该团队通过对电驱系统中的功率损耗进行了全面的系统级分析，包括对电机损耗进行有限元分析，以及对“升压器+逆变器”系统损耗进行精确的数值评估，为汽车行业提供了一种可靠的方法，从而能够在损耗最小化框架内确定运行区域内的最佳直流链路电压。

该团队研究结果表明，将DC-DC升压器纳入电驱系统，并调整最佳DC链路电压是能够大幅降低系统能耗，特别是在低电池电压时，具体效果如下：

▲ 与不包含DC-DC升压器的电驱系统相比，包含DC-DC升压器的电驱系统表现出较低的总损耗值，在高速、低扭矩区域，损耗差异高达5kW。

图1：选定电动汽车在WLTC测试区间的总能量损失：(a) 基于IGBT和 SiC的升压器+逆变器系统。(b) 使用最佳直流链路电压曲线的升压器+逆变器系统。

▲ 而且基于SiC的“升压器+逆变器”系统如果采用极氪和沃尔沃研究团队提议的最佳直流链路配置，与IGBT相应系统相比，其WLTC测试区间累计的能量损耗可减少高达16%。

▲ 此外，与使用固定300V直流总线电压相比，应用最佳直流链路配置，可将SiC系统的能量损耗降低58%，将IGBT系统的能量损耗降低54%。

技术背景：

可调DC电压系统的优势与难点

众所周知，降低电池/整车造价以及提升续航里程是新能源汽车的关键技术目标，这需要提高新能源汽车电驱系统的效率。

现阶段，提升电驱系统的效率的确定性趋势是采用基于SiC MOSFET的电机控制器。碳化硅技术在提高动力系统效率方面具有巨大的潜力，这是因为与传统硅基IGBT相比，SiC MOSFET具有更快的开关动态、反向传导能力带来的导通损耗降低以及更优越的热性能。

与此同时，汽车产业还在探索另一个提升电驱系统效率的技术——在电池电压出现波动时，如何提升效率和整体驾驶性能。

目前，汽车行业已经针对上述问题提出了可行的解决方案——在各种驾驶条件下，通过动态调整直流链路的电压，来优化电驱系统效率。

简单来说，这种方法是采用一个连接到电池的DC-DC升压升压器，来为脉冲宽度调制 (PWM) 牵引逆变器进行供电，这与传统的方式不同（电池直接为逆变器供电），如下图所示。

图2：传统主驱逆变器拓扑（a）;配备DC-DC升压升压器的主驱逆变器拓扑（b）。

“升压器+逆变器”这种架构降低电驱能耗的底层逻辑主要有两个：

一是在较低的运行速度下，逆变器所需的直流母线电压低于额定或高速运行时的电压水平，因此，降低直流母线电压可减少逆变器内的开关损耗，从而提高驱动系统的整体效率。

二是在额定或高速运行（包括弱磁区）期间，通过增加直流母线电压可实现更高的相电压。这种调整可以在更高转速下降低电机电流，从而也可以有效降低逆变器的传导损耗和电机铜损。

为此，很多文献得出结论——与传统主驱逆变器系统相比，“升压器+逆变器”和优化的电池电压的方式能够实现大幅节能，而且如果电机更多的工作点转向低速，升压升压器的优势就会越来越大。

但是汽车行业对于要不要采用“升压器+逆变器”这种架构还是很犹豫，主要有2个方面的考虑：

▲ 一是很多文献缺乏全面的损耗分析，一方面没有分析与 DC-DC升压器相关的损耗，另一方面很少评估温度变化对电力电子损耗和电机性能的影响。

▲ 二是简单地将DC-DC升压器集成到电驱系统会增加额外的无源元件，不仅会增加系统复杂性，增加成本，而且会导致可靠性降低。

极氪沃尔沃研究工作

综合系统级损耗分析

在此背景下，这项极氪-沃尔沃团队工作的主要研究内包括如下几个方面：

一是执行综合系统级损耗分析，包括：

▲ 在可变直流链路电压下对 永磁电机PMSM 进行基于FEM的损耗建模。

▲ 分析“升压器+逆变器系统”的电力电子损耗。

▲ 将结温反馈和消隐时间效应纳入分析，以提高能耗分析的准确性。

二是为“升压器+逆变器系统”设计并集成电感器，针对满载条件进行优化，并将其相关损耗纳入动力总成损耗评估。

三是利用生成的全损耗图，确定整个驱动器工作范围内的最佳直流链路电压，以及确定在各种转子速度和扭矩条件下采用损耗最小化方法。

四是对基于IGBT的“升压器+逆变器系统”进行了系统级总损耗的综合计算，并确定最佳直流链路电压曲线，并将结果与基于SiC的“升压器+逆变器系统”进行比较。

该团队认为，他们这次提出的系统级损耗分析能够更清楚地了解可调直流链路电压对基于 SiC和 IGBT的“升压器+逆变器系统”的好处。此外，它还提高了总损耗映射的准确性，从而能够确定整个驱动范围内的最佳直流母线电压。

具体在电机方面，该团队设定定子有 48 个槽，为了提高计算效率，利用八个相同极点的对称性将模型缩小到原来的八分之一。

逆变器方面，该团队以数字方式打造了一个三相电压源逆变器 (VSI)，然后将其连接到DC-DC 升压升压器。

为了进行比较，这个“升压器+逆变器”电路采用两类功率模块，包括半桥SiC模块CAB450M12XM3和硅基IGBT模块FZ600R12KE3，具体而言：

▲ 基于SiC的“升压器+逆变器”系统使用了四个 SiC 半桥模块（一个用于升压器，三个用于逆变器），每个开关位置都有一颗SiC MOSFET。

▲ 基于 IGBT 的逆变器使用了六个 IGBT 模块，每个开关位置一个，升压器采用两个模块，以满足每个分析中的相应设计规范。

研究结论：

新型SiC逆变器设计可使能耗降低58%

关于该团队的具体能耗计算过程方面，这里就不具体展开了，），我们将给您提供该文献PDF文件。

我们直接看看极氪和沃尔沃团队得出的结论。

他们的分析表明，在WLTC行驶周期内，基于IGBT和SiC的系统在较高的固定升压450V直流链路电压下，累积能量损耗都有显著降低，其中：

▲ IGBT“升压器+逆变器”系统降低了27%；

▲ SiC“升压器+逆变器”系统降低了31.7%。

他们所提议的最佳直流链路电压曲线实现了更大的能量损耗降低。具体如下：

▲ 与固定的300V未升压直流母线电压相比，采用最佳直流链路电压曲线，可使基于SiC的“升压器+逆变器”系统的能耗减少58%，可使基于IGBT的“升压器+逆变器”的能耗减少54%。

▲ 与固定的450 V升压直流母线相比，能量损失减少了30%以上。

从整个WLTC行驶周期内来看，采用极氪和沃尔沃团队的最佳直流链路电压曲线后，SiC“升压器+逆变器”系统的累计能量损耗比IGBT系统减少了16%。

图4：a）300V直流电压下，逆变器+电机的系统损耗；b）300V-450V直流电压下，逆变器+机器+升压器的系统损耗；c)有升压器和没有升压器的系统损耗差异。

在这项工作中，极氪和沃尔沃团队明确提出，使用SiC MOSFET可以增强通过DC-DC升压器实现的可调DC链路电压的优势。这种效率提高的主要得益于逆变器损耗的减少。此外，当使用SiC MOSFET 时，DC-DC升压器引入的额外电力电子损耗几乎可以忽略不计。SiC MOSFET所带来的最小的损耗优势一步增强了可调DC链路电压电驱系统的节能潜力。

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