NREL和John Deere就SiC性能进行合作

先进的热管理设计提高了重型电动汽车应用中 SiC 逆变器的功率密度

由美国国家可再生能源实验室 (NREL) 与John Deere合作开发的最先进的热管理系统有望显著提高重型电动汽车应用中 SiC 逆变器的功率密度。

在重载应用中，电源逆变器负责控制直流和交流电气系统之间的功率流，以运行车辆系统、附件和电机，例如电动机和发电机。高效逆变器是减少温室气体排放的环保汽车替代品（例如混合动力汽车、全电动汽车或燃料电池车辆）所必需的关键组件。最近的研究表明，与之前的纯硅逆变器相比，改进后的逆变器设计的功率密度提高了 378%。

“NREL 热管理设计创新的关键是提高传热系数，这使得该系统能够在使用发动机冷却液的运行过程中高效、持续地自我冷却。” NREL 高级研究员兼热管理专家 Kevin Bennion 表示，“这种设计有助于实现无与伦比的功率密度，并使系统安全高效地运行。”

逆变器热管理系统在John Deere混合装载机上进行了测试，类似于上图所示。

一般来说，重型车辆在运行过程中需要比普通轻型轿车更多的动力和更高的扭矩。 NREL 在宽带隙功率模块热管理方面的领先研究有助于减少组件占用空间、提高性能和效率，并支持用于重载应用的 SiC 逆变器的更高频率运行。

但是，功率输出取决于逆变器功率模块的最高温度限制，这存在过热和关机的风险。因此，NREL 研究人员开发了最先进的热管理系统，以优化系统效率，同时调节用 115°C 水-乙二醇冷却剂直接冷却的 SiC 模块的工作温度。 NREL 团队开发的技术已得到由 Brij Singh 领导的John Deere 工程团队的广泛评估。

“从 2015 年开始，NREL 的贡献在与John Deere 合作的能源部资助的 PowerAmerica 项目中成功执行和完成有影响力的任务方面非常有价值，”Singh说。 “该项目促成了高温 SiC 逆变器技术的车载演示。”

优化传热的简化解决方案

电动汽车逆变器热管理的常见策略是在组件表面上平行运行流体冷却剂，以传递热量并快速冷却系统。 NREL 设计的先进系统将垂直射流与基于微型通道和微型歧管的冷却系统相结合，以从逆变器和电源模块中提取热量。这种设计实现了令人印象深刻的传热系数——高达93000瓦/平方米/开氏度（W/[m2-K]），是当前商业系统的四倍多。

此外，NREL 设计将现有的柴油发动机冷却系统用于简化的发动机冷却剂架构。传统的重型逆变器需要单独的冷却系统才能成功运行，同时确保逆变器的耐用性。通过消除对单独冷却回路的需求，NREL 新颖的热学和热机械研究使逆变器实现了惊人的 43 千瓦/的功率密度。这比基准硅系统提高了 378%。

燃油效率的实际改进

设计中的热和机械创新显著减少了逆变器的占地面积，创造了一个更小、更轻的系统。更轻的总重量和改进的性能对燃油效率和运营成本有明显的好处。

“ 逆变器技术在能源效率、燃油经济性、性能和系统集成方面在所有竞争技术中脱颖而出，”Bennion说。 “由于 SiC 功率转换器的高成本，这项新技术的市场采用很可能发生在这些因素比初始成本更重要的地方。我们相信这款逆变器将对重型机械、航空和军事应用产生重大影响。”