摘要 - 电动汽车的广泛采用呈现出续航里程短和充电时间长的挑战。展望未来，极快速充电是解决这些问题的唯一方案。然而，典型的硅功率电子支持的400V电动汽车动力传动系统无法应对这一挑战。限制因素包括巨大的电缆尺寸、由于高电流导致的设备加热和用户安全等。在本文中，我们分析了基于碳化硅的功率电子的800V电动汽车动力传动系统。为了实施800V动力传动系统，必须全面重新考虑电气系统。本文介绍了基于碳化硅的功率电子的800V动力传动系统的实施，并将其与800V硅动力传动系统进行了评估。本研究详细介绍了在高电压充电（兆瓦级）系统中驱动传动系统、逆变器和辅助动力装置的细节。
1.简介
电动汽车发展现状与问题：电动汽车普及趋势显著，2021年销量倍增，全球保有量即将超2000万辆，中国和欧洲引领变革，美国相对滞后。然而，在美国，电动汽车推广受阻，原因包括化石燃料汽车加油高效体验和对绿色发电的保留态度。以特斯拉Model S为例，其400V硅基动力系统充电时间长（27 - 40分钟），相比之下内燃机汽车加油仅需5 - 10分钟，续航焦虑影响消费者选择。 ![]()
图1.ICEV和EV类别每年的汽车销量
动力系统变革的必要性：基于SiC的充电基础设施可实现更高功率充电（500kW - 1.2GW），但400V电动汽车动力系统无法适配。快速充电会使电流额定值大幅增加，导致电缆传导损耗剧增（9 - 36倍），电缆变笨重且需昂贵冷却系统。提高动力系统电压额定值可避免电流增加，带来如充电加快、降低损耗、减小电机尺寸等好处。已有800V动力系统相关研究，但缺乏全SiC与全Si动力系统的完整对比评估，本文将填补此空白。![]()
图2.BEV动力系统的典型结构。
电动汽车动力系统架构与关键部件：电动汽车动力系统中，高功率电池供电给电机和控制单元，电机为高压负载，附件为低压负载。目前多数乘用车电池电压为250 - 450V，若采用800V系统，电力电子设备至关重要。对比Si和SiC器件物理特性可知，SiC在效率、损耗和重量方面更优，能提升动力系统性能。后续将依次评估电力电子设备、解释建模方法、分析高电压电池储能系统影响、阐述电力电子重要性、介绍电机输出改进、概述机械应力和充电器以及评估辅助动力装置，最后得出结论。![]()
表1.APU用Si和SiC的物理性能比较。
2.参数选择
在本研究中，参数选择是关键要素。作者对市场上众多汽车用MOSFET进行了调研，以挑选出两款最适合进行分析的候选器件。所选的碳化硅（SiC）MOSFET为UnitedSiC UF3C170400K3S，硅（Si）MOSFET为Infeneon IPD80R2k7C3A。选择这两款器件的原因在于，在这两个类别中，必须挑选出适用于运输电子领域的最高功率器件，以便在其最佳工作点进行比较。核心模型将使用这两款器件的开发板进行替换，随后对结果展开分析。具体的关键参数如下表所示：![]()
表2.参数选择。
3.建模方法
核心是通过方程块来表示每个子系统。这些方程块借助信号块相互连接，并且信号块会在每个时间步进行更新。在后续的各个章节中，将会逐步呈现并深入分析相应的工作方程。图3中的简化框图展示了该概念模型的整体架构，清晰地呈现了各子系统之间的连接关系以及信号和方程的交互方式，为整个建模过程提供了一个直观的框架，有助于理解如何通过这种方式来模拟所研究的系统动态。![]()
图3.方程模型的简化框图。
4.电池储能系统（BESS）
随着电动汽车革命的兴起，研究人员致力于开发高能量密度电池，但高性能电池需适配转换系统。评估800V动力系统的电池系统时，关键参数包括能量密度、功率密度、循环寿命、日历寿命、价格/kWh，安全性和体积对电池制造商也至关重要，同时需深入考虑能量效率和自放电情况。电池重量增加会降低系统效率，影响电力电子设计。![]()
表3.800V纯电动汽车电池参数.
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当前多数乘用车电池电压与现有动力系统适配，但高功率充电需求促使考虑800V电池包，最新冷却技术使电缆能承受约500A电流且保持灵活。本研究考虑了800V Si（假设）和800V SiC（类似保时捷Taycan）两种电池系统，对比行业400V Si动力系统（如特斯拉Model 3），保时捷Taycan在特定充电时间和续航方面有其特点，且不同公司设计理念不同。为公平比较，限制充电电流为600A，通过特定公式计算充电器输入输出功率及损耗（展示了乘客电动汽车和重型车辆的相关结果）。![]()
图4.使用800V BESS的乘用车电缆损耗。
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图5.使用800V BESS的重型车辆的电缆损耗。
SiC应用可减少电池受热，提升电池健康状态（SOH），电池老化包括日历老化和循环老化，有半经验公式计算总损耗（与温度、充电电流等相关），计算不同时间段损耗以观察使用Si和SiC电力电子时的SOH（结果见表4）。SiC基电力电子虽有优势，但需更高功率BMS，增加监控和计算复杂度，不过在可靠性和客户便利性方面是合理权衡。![]()
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表4.使用SiC和Si的800 V BESS的健康状况比较。
5.电力电子设备
电力损耗降低的意义与SiC的重要性：开关器件功率损耗的降低具有双重益处，可提高功率转换效率并减少冷却部件需求。对于小型系统，开关器件功率损耗降低可能不显著，但对于重型卡车等高功率车辆，在功率转换效率和冷却减少方面意义重大，因此SiC在高功率电动汽车中的应用非常重要，甚至可能使乘用车实现风冷替代液冷。逆变器：在电动汽车（BEV、PHEV或HEV）中，逆变器将电池输出转换为交流电供给感应电机或永磁同步电机，对于无刷直流电机（BLDC）或永磁直流电机（PMDC）则使用DC - DC转换器平滑电池输出。本研究聚焦于比较Si和SiC供电的800V动力系统的电气性能，选用常用的两电平、三相电压源逆变器（VSI）拓扑，重点关注转换过程中开关器件的导通损耗和开关损耗。损耗除与电流、电压额定值有关外，还取决于转换器的开关技术，正弦脉冲宽度调制（SPWM）和空间矢量脉冲宽度调制（SVPWM）是常用技术。计算100kHz、400kW输出设备的功率损耗，发现SiC电力电子在不同充电功率下充电时间更短，该可扩展设计可用于重型充电器（最高1.2GW），同时参考资料[20]的表3列出了其他较少使用拓扑的优缺点。![]()
图6.逆变器输出增加导致充电时间缩短。
DC - DC转换器：DC - DC转换器对平滑锂离子电池与电机间电流至关重要，非隔离拓扑在牵引动力系统中约占总转换器重量的30 - 40%，虽个体芯片面积比逆变器大，但总损耗不容忽视。SiC转换器的密集封装技术在重量和尺寸方面更适合用于DC - DC转换器，其损耗计算方法与前文类似，通过特定公式计算（考虑导通周期功率Pcond、开关功率Psw、开关频率fsw、反向恢复电动势ETT、标称电流Inom和标称电压Vnom等参数），结果显示SiC器件在导通方面表现不同（蓝色区域表示MOSFET导通，橙色区域表示二极管导通）。![]()
图7.非隔离DC/DC转换器
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图8.DC/DC转换器组件损耗比较。
电机输出提升：动力系统设计改进可提升电机输出，对于给定电机设计，电机速度与直流母线电压成正比。通过感应电机启动转矩、运行转矩和平均转矩公式评估性能提升，利用图2模型计算输出功率与逆变器损耗的关系，结果表明SiC逆变器在更高工作点运行且损耗更低。![]()
图9.电机输出功率与逆变器损耗。
6.机械约束
电压提升对电缆及损耗的影响：在相同功率额定值下，提高电压额定值会降低电流额定值，根据欧姆定律，电流降低可显著减少铜损，同时电缆横截面积也会减小。但电压升高需要增加串联导体数量，这会导致相电阻增加。不过，较高的直流母线电压总体上有助于降低铜损并提高效率。高功率电机的损耗问题：对于高功率电机，随着转速（每分钟转数，RPM）增加，铁损、机械损和铜损都会上升。除了热约束外，机械损耗也是一个需要考虑的挑战，因为旋转速度与机械损耗的平方根相关。虽然可以通过改进电机结构，如添加槽口或加厚电机齿来改善，但这会增加电机设计的复杂性，并且由于转子结构的改变可能会影响电磁性能，所以需要一个适用于不同牵引应用的稳健电机模型。SiC电力电子对电机的影响：使用SiC电力电子设备时，由于电机受热减少，应力也会降低，从而可以避免上述诸多限制，800V SiC设计在这方面具有优势。7.DCFC（直流快速充电）800 V动力总成中的充电器连接器端口
随着充电功率需求达到250kW及以上范围，为适应不断提升的三级充电功率水平，充电器的电力电子设备需要更新。当前，50kW及以上被视为三级直流快速充电，特斯拉V3/V4超级充电站使用250kW功率，而Tritium等公司已生产350kW及以上的充电器。目前充电器连接器所采用的拓扑结构存在问题，随着充电功率提高，二极管桥的电压额定值需增加，导致成本上升。一种降低成本的方法是调整变压器匝数比，使其既能适应较低的电网电压充电，又能满足三级充电器的要求，但本文主要关注直流超快速充电（DC - XFC），因此将电力电子设备从硅（Si）转换为碳化硅（SiC）是一个可行的解决方案。值得注意的是，800V电动汽车的电池包由串联的锂离子电池组成，这种配置有助于解决高压下的过热问题，如现代伊兰特5采用800V动力系统并使用了英飞凌的芯片，其包含SiC和Si功率模块的组合，文中还展示了一种用于电网充电的改进型DC - DC拓扑结构（图10）。![]()
图10.800V车辆电网充电的改进DC/DC拓扑
8.辅助动力装置（APU）
APU常用拓扑结构与功能：零电压开关全桥、全桥中心抽头和双有源桥转换器是APU中辅助电源转换器的主要拓扑结构。APU通过转换器信号控制电池、电机并调节电压水平，图11展示了常规APU的结构。![]()
图11.用于带有笨重变压器和硅电子的动力总成的传统辅助动力装置.
功率器件选择考量：随着SiC MOSFET的应用，功率转换器额定值增加，需要高阻断电压的元件。市场上虽有800V以上的Si MOSFET，但存在成本高和损耗大的问题，IGBT虽可替代但也有成本高和关断时间长的类似问题。为减小变压器和电容器等无源元件的重量和尺寸，需选择高频（如100kHz）器件，而IGBT不适用于20kHz以上频率，因此SiC MOSFET成为较好选择。SiC在APU中的优势：SiC相比Si具有8倍大的击穿场，可在不增加导通电阻的情况下承受更高的击穿电压，热导率为Si的3倍，散热更好，宽禁带能隙使电子在高温下更难跃迁到导带，降低漏电流。用更高开关频率的MOSFET替代APU中传统IGBT结构可增加工作范围，提高APU整体性能，且SiC的应用可通过软开关减少APU的冷却需求。9.SIC成本
SiC在电动汽车中的优势与成本阻碍：前文详细阐述了SiC在电动汽车结构中的高效性及其替代Si的潜力，然而当前高昂的成本是行业充分受益于SiC的主要阻碍。电动汽车逆变器成本的30% - 40%用于构建动力系统的器件，多次使用高成本器件会显著增加汽车成本。SiC降低成本的潜力与措施：尽管成本高，但SiC的应用可大幅降低冷却成本从而降低总成本。在SiC制造方面，由于SiC芯片元素在自然界储量丰富，供应链问题不显著。政府实施有利于交通电气化的能源政策，推动批量制造、单晶圆加工和大直径晶圆制造（如采用200mm晶圆厂替代150mm），有助于降低晶体管特征尺寸和缺陷密度，进而降低功率电子成本，类似Si替代稀土材料推动纳米电子和功率电子发展，SiC也有望遵循相似路径发展。从SiC MOSFET芯片成本分解来看，SiC芯片制造商从市场购买SiC晶圆，而内部制造晶圆和芯片可降低成本，批量内部制造可降低衬底成本、芯片成本和芯片尺寸。10.全碳化硅动力总成的Simulink设计
仿真模型构建目的与组件选择：为验证数学模型的结果，开发了一个仿真模型。从Simscape专业电力系统中选择了锂离子电池模块，其为800V电池，能够运行多电机系统。使用SiC MOSFET三菱PSF25S92F6 - A的三相中性点钳位转换器，并采用类似并网逆变器开关的模型预测控制（MPC）进行开关控制，该方法用于获取最优开关序列（OSS）概念以计算控制动作。仿真模型需处理温度和电流限制等系统约束，计算负担需控制在一定范围内，OSS在下一采样周期将开关序列应用于功率转换器。![]()
表5.中性点钳位变流器各支路的开关顺序。
开关序列计算与模型实现：手动计算了27个开关（3³）的开关序列（如表格5所示），利用电压方程中的前向欧拉法创建参考块，对于RL负载有相应工作方程（含电流对时间的导数等，通过循环处理开关信号），代码置于MATLAB函数块中作为中性点钳位转换器的开关信号，开关状态也在表格5中展示。根据开关状态手动计算27个开关序列向量并放入函数块作为动力系统转换器的触发电路（开关序列在表格6中列出）。![]()
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表6.所提出模型的计算切换顺序。
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图12.开发的仿真模型框图。
Simulink模型架构与运行结果：Simulink模型架构为电池连接到包含参考块中定义的所有参考的块，函数块携带开关序列和方程循环作为开关电路，信号根据开关表触发中性点钳位转换器中的MOSFET，依次连接到固定RL负载，示波器可观察生成的电压。一个电机系统的功率输出如图13所示，图13（a）分别展示三相，图13（b）用不同颜色同时展示三相以便于理解，该设计可扩展，适用于未来任何升级的电力电子设备，由于SiC效率高浪费电池功率少且工作在最佳输出水平，电池输出可连接另一个较小电机。![]()
图13.（a）SiC NPC转换器输出电压的模拟结果——三个单独的相位。（b） SiC-NPC变换器三相同时输出电压的仿真结果。
11.总结
电动汽车动力系统发展趋势分析：本文分析了电动汽车未来将完全转向基于碳化硅（SiC）电力电子的动力系统的趋势，以替代当前用于更高电压水平的硅（Si）电力电子系统。将通过数学推导和仿真得出的类似800V Si动力系统与基于SiC电力电子的系统进行了比较，并对动力系统的所有组件进行了全面的逐步分析。 SiC动力系统的优势体现：研究发现，即使采用类似的800V电池，基于SiC的动力系统由于冷却部件减少和更高的载流能力，在尺寸和质量上仍有显著降低。在SiC技术下，动力系统的电机可以实现更高的转速。电力电子设备将更轻，散热显著降低。充电器在SiC的支持下将具有更坚固的结构，能够在并网和直流快速充电模式下实现更快的充电。辅助动力装置中使用的较小组件由于采用了基于SiC的总线，其尺寸和功率密度也将大幅降低。
