由中國(guó)科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)、北京市人民政府、海南省人民政府、科學(xué)技術(shù)部、工業(yè)和信息化部、生態(tài)環(huán)境部、住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部、交通運(yùn)輸部、國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局、國(guó)家能源局聯(lián)合主辦的第四屆世界新能源汽車(chē)大會(huì)（WNEVC 2022）于8月26-28日在北京、海南兩地以線上、線下相結(jié)合的方式召開(kāi)。其中，北京會(huì)場(chǎng)位于北京經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)的亦創(chuàng)國(guó)際會(huì)展中心。

大會(huì)由中國(guó)汽車(chē)工程學(xué)會(huì)等單位承辦，將以“碳中和愿景下的全面電動(dòng)化與全球合作”為主題，邀請(qǐng)全球各國(guó)政產(chǎn)學(xué)研界代表展開(kāi)研討。本次大會(huì)將包含20多場(chǎng)會(huì)議、13,000平米技術(shù)展覽及多場(chǎng)同期活動(dòng)，200多名政府高層領(lǐng)導(dǎo)、海外機(jī)構(gòu)官員、全球企業(yè)領(lǐng)袖、院士及行業(yè)專家等出席大會(huì)發(fā)表演講。

其中，在8月28日上午舉辦的技術(shù)研討會(huì)“新能源汽車(chē)電驅(qū)動(dòng)技術(shù)創(chuàng)新”上，美國(guó)工程院院士，威斯康星大學(xué)麥迪遜分校電機(jī)與電力電子中心（WEMPEC）主任Thomas M. JAHNS發(fā)表專題演講。

主要觀點(diǎn)：

1、采用寬禁帶半導(dǎo)體WBG開(kāi)關(guān)的電流源逆變器CSI為未來(lái)的深度集成電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)IMD提供了巨大的希望；

2、通過(guò)CSI-IMDs幾種集成設(shè)計(jì)方案的溫升測(cè)試表明，即使是完全封閉、不通風(fēng)(TENV)的設(shè)計(jì)方案也是可以滿足器件溫度限制。

3、我們需要做更多的工作來(lái)解決其他各種環(huán)境挑戰(zhàn)，包括溫度循環(huán)耐久和振動(dòng)等。

以下內(nèi)容為現(xiàn)場(chǎng)演講實(shí)錄：

各位早上好，我非常榮幸能夠有機(jī)會(huì)和大家來(lái)分享我們研究成果和觀點(diǎn)，但是很遺憾因?yàn)橐咔樵蛭也荒軌蛴H自出席，只能通過(guò)線上的方式和大家分享。今天這個(gè)話題我很喜歡，是關(guān)于電力電子方面的內(nèi)容，以及它在電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)踐中面臨的挑戰(zhàn)。

首先我和大家簡(jiǎn)單的介紹一下威斯康星大學(xué)麥迪遜分校，我們大概在美國(guó)的中北部，靠近芝加哥的地方，周?chē)沫h(huán)境是非常漂亮的。學(xué)校大概有五萬(wàn)名學(xué)生，大部分都是從事工程相關(guān)的研究工作，我在電子計(jì)算機(jī)學(xué)院，我也是從事電機(jī)相關(guān)的研究。其實(shí)我們和行業(yè)、學(xué)界有著長(zhǎng)遠(yuǎn)的合作，可以說(shuō)我們和業(yè)界的溝通和合作是非常久的。去年我們慶祝了40周年的創(chuàng)新和合作的慶典，這張是我們團(tuán)隊(duì)的合影，我今天也是代表所有的同事和大家來(lái)問(wèn)好。我也希望有一天大家能夠來(lái)麥迪遜和我們面對(duì)面交流。

今天我和大家分享集成電驅(qū)領(lǐng)域的一個(gè)革命性的進(jìn)展，或者說(shuō)它是一個(gè)演進(jìn)。現(xiàn)在碳化硅應(yīng)用的速度已經(jīng)快了十倍左右，能夠?qū)崿F(xiàn)更高的功率密度，且更適用于高電壓場(chǎng)景下的應(yīng)用，其實(shí)碳化硅本身的演進(jìn)就代表了現(xiàn)在電驅(qū)行業(yè)的革新。另一方面，傳統(tǒng)的電驅(qū)系統(tǒng)都是分體式，電機(jī)和控制器分開(kāi)，用傳統(tǒng)的電纜和電線連接控制，現(xiàn)在我們要做的就是把所有分散的盒子整合起來(lái)。但是我們不是簡(jiǎn)單物理組合，而是真正的集成，未來(lái)我們會(huì)接受這種長(zhǎng)遠(yuǎn)的變化。

而寬禁帶半導(dǎo)體有機(jī)會(huì)讓我們實(shí)現(xiàn)這樣的遠(yuǎn)景，他有哪些潛在的優(yōu)勢(shì)呢？首先由于共用殼體和熱管理系統(tǒng)，功率密度提升是非常明顯。第二針對(duì)規(guī)模制造其生產(chǎn)制造優(yōu)勢(shì)明顯。第三就是高帶寬和容錯(cuò)的模塊化架構(gòu)。但是還很多挑戰(zhàn)，今天我想給大家介紹一下挑戰(zhàn)，在把電子電力整合到電驅(qū)動(dòng)器上，整個(gè)環(huán)境其實(shí)是非常復(fù)雜的，稍候我會(huì)簡(jiǎn)單的做這方面的介紹。

這種設(shè)備它對(duì)于電機(jī)驅(qū)動(dòng)器非常重要，同時(shí)也可以幫助我們進(jìn)一步解決這種挑戰(zhàn)，在這張幻燈片上我們希望能夠更多的關(guān)注熱挑戰(zhàn)，特別是和嵌入電力電子，把他進(jìn)一步整合到集成電機(jī)驅(qū)動(dòng)器上，我們有哪些熱管理上的挑戰(zhàn)，并且如何能夠解決這些挑戰(zhàn)，我希望能夠通過(guò)我的演講進(jìn)一步鼓舞大家來(lái)相信這方面的前景，并且也能夠擁抱這種技術(shù)趨勢(shì)。

熱管理挑戰(zhàn)首先是材料熱性能，然后是電力電子器件。對(duì)于電機(jī)來(lái)說(shuō)耐溫至少做到180℃的溫度限制，有些高性能應(yīng)用場(chǎng)合是200℃的溫度限制。但是其他電力電子器件的耐溫普遍在125℃的水平，那么這之間就有大于50℃的溫差。對(duì)于IMD系統(tǒng)架構(gòu)，把所有部件整合到一起，就會(huì)面臨著傳熱的挑戰(zhàn)。多年來(lái)，我們一直被問(wèn)到這種問(wèn)題，如何能夠把這種電力電子和電機(jī)集成在一起，我想跟大家分享一下解決溫度限制上實(shí)踐。

首先就是我們要挑戰(zhàn)一種標(biāo)準(zhǔn)的思維模式。目前我們?cè)陔姍C(jī)逆變器中普遍都采用電壓源VSI逆變技術(shù)，還有一種電流源CSI解決方案應(yīng)用較少。我們?yōu)槭裁磳?duì)VSI和CSI感興趣，因?yàn)樗梢詭椭覀兘鉀Q未來(lái)的熱挑戰(zhàn)，因?yàn)樗泻芏喾浅Ｎ说囊恍┨匦裕趯捊麕О雽?dǎo)體的電流源逆變器CSI技術(shù)將是針對(duì)未來(lái)的集成電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。它主要的優(yōu)勢(shì)之一就是在高溫的性能。從系統(tǒng)拓?fù)渖峡碫SI需要使用電解電容和薄膜電容，而電解電容的耐溫在105℃，薄膜電容耐溫在125℃，限制了VSI類(lèi)型拓?fù)淠孀兤鞯臒岘h(huán)境。而CSI拓?fù)涫褂秒姼蓄?lèi)器件耐溫可以達(dá)到200℃，陶瓷電容耐溫可以達(dá)到150℃，從整個(gè)系統(tǒng)熱管理的角度來(lái)說(shuō)，CSI逆變器，還有電容器他們可以在高溫下具有同樣的熱特性。我們?cè)陧?xiàng)目上也做了驗(yàn)證，一年前如果大家參加了今天的會(huì)議，大家可能還記得這個(gè)項(xiàng)目，我要給大家回顧一下當(dāng)時(shí)這個(gè)項(xiàng)目上的研究成果和進(jìn)展。這個(gè)項(xiàng)目是由美國(guó)能源部出資來(lái)做的一個(gè)前沿性的研究項(xiàng)目APER-E，在這個(gè)研究項(xiàng)目上我們把高性能的WBG還有CSI結(jié)合到一起，來(lái)進(jìn)一步集成電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。這是為期三年的項(xiàng)目，主要的進(jìn)步就是功率密度的進(jìn)展和變化，我們讓整個(gè)項(xiàng)目更加有挑戰(zhàn)性，嵌入的不僅僅是逆變器，同時(shí)在設(shè)備里也有一些其他的嵌入，它具有三種功能，可以把功率傳遞到逆變器、電容器，同時(shí)也可以在交流電網(wǎng)和交流負(fù)載上有很好的應(yīng)用，支持電動(dòng)車(chē)制動(dòng)能量回收，但是現(xiàn)在還是有很多挑戰(zhàn)，我們有使用了雙主動(dòng)橋結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)功率密度的提升。

大家看到這是3kW的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)原型機(jī)，電力電子逆變器是嵌入到電機(jī)腔室內(nèi)，逆變器包含3層PCB，冷卻風(fēng)扇功率3W。還有另外一個(gè)命題，就是我們證明通過(guò)額外的鋁層結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成。這張幻燈片展示的是逆變器的電壓電流波形。左手邊的波形就是在設(shè)備終端運(yùn)行的波形，看起來(lái)非常的理想，它的效率在第三年的時(shí)候是98%，我們也看到這個(gè)圖表所展示的功率密度以及其他的性能指標(biāo)，對(duì)于電動(dòng)車(chē)的應(yīng)用是非常高效的，這比我們預(yù)定的目標(biāo)提升了一倍。在三年的項(xiàng)目之后，我們可以有機(jī)會(huì)獲得其他的一些經(jīng)費(fèi)，我和整個(gè)團(tuán)隊(duì)決定使用這些額外的經(jīng)費(fèi)來(lái)進(jìn)一步拓展研究，就是下一代的CSI-IMD，重點(diǎn)解決熱挑戰(zhàn)。我們把電力電子安裝到同樣電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)腔的下部，還加入了空氣冷卻系統(tǒng)。右手邊展示的是他的一個(gè)系統(tǒng)集成方案圖，我們看到所有電源器件片均焊接在PCB電源板上，使用壓力環(huán)安裝在端室鋁殼上，用熱界面材料(TIM)進(jìn)行電隔離，控制器集成到CSI傳感器板，減少PCB數(shù)量。我自己其實(shí)也擔(dān)心過(guò)究竟是否能夠完成這個(gè)工作，但是我的學(xué)生他確實(shí)把整個(gè)控制器直接安裝在同一塊平面板上，也防止了出現(xiàn)EMI的一些問(wèn)題。其實(shí)這個(gè)項(xiàng)目做的非常艱難，因?yàn)橐獙?shí)現(xiàn)冷卻的話，里面有太多的細(xì)節(jié)，但是當(dāng)時(shí)我們用的是一個(gè)壓力和溫度同時(shí)測(cè)試的方式，這就是一條很直接的思路。其實(shí)有的技術(shù)我們?cè)诓扇〉臅r(shí)候沒(méi)有別的選擇，除了直接抽取熱量之外，包括把所有的熱量抽取到整個(gè)電機(jī)的外殼，我們就做的是這樣直流的導(dǎo)出。我們?cè)O(shè)計(jì)了有兩條冷卻通道，采用5種不同的冷去方案對(duì)比散熱效果。TENV是采用全封閉無(wú)散熱結(jié)構(gòu)的方案，運(yùn)行到3kW功率下的溫升在110℃仍然在溫度限制范圍內(nèi)，這是所有方案里最差的情況，在測(cè)試中發(fā)現(xiàn)也不到120度，也就是和它的極限值有50度左右的空間，可以說(shuō)這是我們能夠達(dá)到的一個(gè)優(yōu)勢(shì)。但是我們其實(shí)把實(shí)驗(yàn)做嚴(yán)格一點(diǎn)，但是你實(shí)際在開(kāi)車(chē)過(guò)程中是有外部氣流的進(jìn)入，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)的降溫，但是我們?cè)谧鲈囼?yàn)的時(shí)候想避開(kāi)這一環(huán)，純粹去考慮到所有的導(dǎo)熱，來(lái)看看在一個(gè)封閉的空間中究竟能夠承受多少的熱挑戰(zhàn)。所以我們非常高興和自豪，哪怕沒(méi)有外部的冷卻系統(tǒng)，現(xiàn)在做的是個(gè)極端試驗(yàn)，可以說(shuō)是出乎我們意料的。另外兩個(gè)表現(xiàn)最好的方案，他從外部主動(dòng)的吸取空氣，利用外部的空氣去進(jìn)行散熱，溫升不到80℃。

這張幻燈片其實(shí)是想和大家闡述一些關(guān)鍵電力電子器件的最高運(yùn)行溫度，我們?cè)跍y(cè)試時(shí)也遴選了幾個(gè)關(guān)鍵的器件進(jìn)行觀測(cè)，在TENV和TESFC配置下的額定運(yùn)行工況，使用熱電偶監(jiān)測(cè)被識(shí)別部件的外殼/外部表面溫度。他們本身也會(huì)發(fā)熱，所以結(jié)論就是哪怕是非常相似的參數(shù)的條件下，在做功的時(shí)候這些零部件的溫度其實(shí)是非常均衡的，大家可以去看看我們的比較數(shù)據(jù)，目前逆變器可以在全封閉設(shè)計(jì)方案下全負(fù)荷運(yùn)行，所有的器件都在溫度限制范圍內(nèi)。

還有哪些需要我們做的呢。首先是需要對(duì)于寒冷環(huán)境下進(jìn)行更多的研究，特別是在整個(gè)運(yùn)行壽命中，溫度循環(huán)耐久是更重要的，特別是在深度集成的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)上我們需要確保溫度的循環(huán)，這是我們現(xiàn)在所面臨的非常重要的一個(gè)挑戰(zhàn)。除了溫度之外，還有耐振動(dòng)挑戰(zhàn)。

最后總結(jié)一下采用WBG開(kāi)關(guān)的CSI為未來(lái)的IMD提供了巨大的希望，包括改善高溫性能，CSI-IMDs幾種集成設(shè)計(jì)方案的溫升測(cè)試表明，即使是完全封閉、不通風(fēng)(TENV)也可以滿足器件溫度限制!我們需要做更多的工作來(lái)解決其他各種環(huán)境挑戰(zhàn)，包括溫度循環(huán)耐久和振動(dòng)等。

我們也希望大家能夠參加后續(xù)的研究工作當(dāng)中，我們?cè)谕箍敌沁€有全球其他的研制中心都取得了進(jìn)展，也進(jìn)一步展示未來(lái)的深度集成電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的潛力和前景是更加光明的。

感謝大家的關(guān)注。

  （注：本文根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)速記整理，未經(jīng)演講嘉賓審閱）

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