說到電動汽車的續(xù)航里程，我們很多人都會自然而然地想到電池。電池儲存的能量越多，汽車就開得越遠(yuǎn)。不過，電池并不是延長續(xù)航里程的全部。實(shí)際上，整個(gè)動力系統(tǒng)的效率也起著舉足輕重的作用。
柏林的弗勞恩霍夫可靠性和微集成研究所（Fraunhofer Institute for Reliability and Microintegration）的一個(gè)團(tuán)隊(duì)正在為保時(shí)捷動力傳動系開發(fā)一種電子控制單元，即所謂的電源逆變器，它能夠比現(xiàn)有方案更有效地轉(zhuǎn)換電池和電機(jī)之間的能量。
保時(shí)捷碳化硅電源逆變器
電源逆變器位于電池和電機(jī)之間的中心位置，高電流流過電源逆變器及其晶體管，把來自電池的直流電轉(zhuǎn)換成驅(qū)動電機(jī)的交流電。為了防止設(shè)備像烤面包機(jī)一樣發(fā)熱，熱量必須通過冷卻元件排出，做到冷卻良好，效率高。
里程增加多達(dá)6%
在稱為SiCeffizient的項(xiàng)目中，研究人員及其行業(yè)合作伙伴的專家們使用特別高效的碳化硅（SiC）半導(dǎo)體制造的晶體管，以確保電流流過晶體管時(shí)消耗的功率更小。
不過，這些半導(dǎo)體相對昂貴，因此，使用最少數(shù)量的晶體管是一個(gè)挑戰(zhàn)。因?yàn)槊恳粋€(gè)碳化硅器件都會消耗更多的能量，發(fā)熱更強(qiáng)烈，所以需要地其進(jìn)行很好的冷卻。研究人員完全重新設(shè)計(jì)了電源逆變器的冷卻元件，以使冷卻效果最佳，同時(shí)保持相同的耗散率。
特別是在車輛加速、制動和高速行駛時(shí)，由于大量電流在電機(jī)、電源逆變器和蓄電池之間來回流動，逆變器會出現(xiàn)功率損耗，碳化硅半導(dǎo)體可以減少這些損耗。
負(fù)責(zé)該項(xiàng)目的Eugen Erhardt說“我們預(yù)計(jì)，通過這種方式優(yōu)化傳動系統(tǒng)，電動汽車的里程最終將增加6%。聽起來不算多，但事實(shí)上這是很大的改進(jìn)。在電動汽車電池方面，這種性能提升只能通過增加電池?cái)?shù)量或通過相當(dāng)大的研究努力來實(shí)現(xiàn)?！?/span>
3D打印耐壓散熱片
電動汽車的電源逆變器是用水冷卻的。晶體管中積聚的熱量通常通過固體冷卻元件排出。冷卻導(dǎo)管也稱為散熱片需要浸入水中散熱。為了冷卻這些發(fā)熱很高的碳化硅晶體管，專家們通過3D打印技術(shù)制造了一種壁相對較薄的冷卻元件。這種元件的排列方式使晶體管位于一塊只有幾毫米厚的金屬板上。這樣，晶體管更靠近冷卻水，加強(qiáng)了冷卻效果。
為了防止薄金屬板在負(fù)載下變形，利用3D打印機(jī)建模的散熱片就像穹頂上的柱子一樣支撐金屬板。這種結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定，使得冷卻元件能夠承受冷卻水的壓力和晶體管燒結(jié)在冷卻元件上時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力。
通常，電源模塊由不同的材料組成，以實(shí)現(xiàn)所需的不同功能。問題是至于，當(dāng)被加熱時(shí)，不同的材料會以不同的速率膨脹，從而在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生應(yīng)力。這會導(dǎo)致電源逆變器出現(xiàn)破裂和故障。新的冷卻元件也解決了這個(gè)問題。由于金屬板非常薄，它們能夠補(bǔ)償由于輕微變形而加熱或冷卻時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力。因此，整個(gè)熱電結(jié)構(gòu)非常靈活。重要的是，這節(jié)省了昂貴的碳化硅半導(dǎo)體并延長其使用壽命。
銅線可防止裂紋
另外還有一些東西可以減輕新的電源逆變器模塊的壓力。它們通常用實(shí)心銅導(dǎo)線與其他電子元件相連。相反，由冷卻元件和SiC晶體管組成的結(jié)構(gòu)通過絞合的柔性細(xì)銅線與電子系統(tǒng)的其余部分相連。
新的電源逆變器將在未來幾個(gè)月在項(xiàng)目合作伙伴羅伯特·博世（Robert Bosch）的工廠進(jìn)行測試。博世是弗勞恩霍夫研究所的項(xiàng)目合作伙伴，過去幾年在能源研究方面投入了大量資金，2017年發(fā)布了用于混合動力汽車的48伏汽車鋰離子電池，2019年進(jìn)入汽車碳化硅應(yīng)用領(lǐng)域。
經(jīng)過博世測試后，保時(shí)捷公司將在一種新型傳動系統(tǒng)中安裝這種采用SiC器件的電源逆變器。“在該設(shè)備投入生產(chǎn)之前，我們還有一段路要走，首先，我們把所有的東西放在一起創(chuàng)建一個(gè)原型。然后需要進(jìn)一步優(yōu)化各個(gè)流程步驟，”Eugen Erhardt說。
保時(shí)捷純電跑車Mission E
Mission E是保時(shí)捷打造的純電動跑車，預(yù)計(jì)將于2021年底正式開賣。性能方面，項(xiàng)目負(fù)責(zé)人Stefan Weckbach說：“我們的核心專業(yè)在于復(fù)雜、高效和高性能的動力系統(tǒng)，看看918 Spyder或919 Hybrid就知道了?！?/span>
毫無疑問，它是一輛跑車。但它不是人們所期待的跑車，其動力系統(tǒng)是全新的，卻又像每一輛保時(shí)捷一樣，采用基于賽車運(yùn)動的測試過的技術(shù)。
兩個(gè)永磁同步電機(jī)（PSM，①和②）類似于贏得勒芒的919混合動力車，既驅(qū)動汽車又在制動時(shí)回收能量。其中一個(gè)電機(jī)驅(qū)動后軸，另一個(gè)電機(jī)驅(qū)動前軸，總輸出功率超過600馬力（440千瓦），在3.5秒內(nèi)將Mission E彈射到60英里/小時(shí)，在12秒內(nèi)彈射到124英里/小時(shí)。
PSM是電機(jī)中的渦輪發(fā)動機(jī)，將電能轉(zhuǎn)換成推進(jìn)力，非常有效和犀利，并在這個(gè)過程中積累相對較少的熱量。這意味著它們會很快冷卻下來。
Mission E采用未來將流行的800伏動力總成，可縮短充電時(shí)間并延長續(xù)航里程。鋰離子電池③集成在車身底部，改善了重量分配，也可實(shí)現(xiàn)感應(yīng)（無線）充電。常規(guī)充電端口位于左前翼子板中④。
保時(shí)捷純電Mission E動力系統(tǒng)
看看吧，800伏高壓系統(tǒng)恰恰是碳化硅高溫性能的用武之地。好期待碳化硅逆變器為保時(shí)捷純電動動力總成帶來強(qiáng)勁動力！
