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碳化硅电力电子器件:赛车与标准汽车

碳化硅电力电子器件:赛车与标准汽车 WOLFSPEED
2024-01-22
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导读:在捷豹 I-TYPE 6 赛车搭载 Wolfspeed 碳化硅技术和产品是一个重要的测试平台,以研究我们部件能够应对的条件,以及我们能将该项技术推进的程度。我们很大程度上依靠建模和测试来加速学习,帮助
碳化硅电力电子器件:赛车与标准汽车
作者:Nathan Moyal, Brett Sparkman, Amy Romero


速度而生

捷豹 I-TYPE 6 纯电动赛车和一辆乘用车的设计理念截然不同。私人汽车用于上下班通勤和外出办事等日常事项,时速通常为 0 至 80 英里/小时。


相比之下,捷豹 I-TYPE 6 最高时速可达 200 英里/小时,0 至 60 英里/小时加速仅需惊人的 2.6 秒。这些开创性的纯电动赛车经专门设计,在电动赛车赛场上向巅峰荣耀发起冲刺,是性能、效率和可持续性的典范。2024年,它们将在遍布全球的多个城市赛道中展开 16 场激烈竞逐,以争夺世界冠军头衔。


尽管公路汽车与电动赛车使用的碳化硅器件相同,但鉴于以下因素,在捷豹 I-TYPE 6 纯电动赛车中搭载碳化硅技术需要独辟蹊径。

关键信息一览: 

  • 最高时速(经调节):320 公里/小时(200 英里/小时) 

  • 发动机功率350 kW

  • 电池:由可持续来源矿物制造的电池单元 

  • 前后动力总成:前置功率 250 kW,后置功率 350 kW,再生制动产生的总的潜在功率为 600 kW

  • 快速充电:600 kW 超高速充电,比任何市售充电机的速度几乎快一倍 

  • 轮胎:轮胎胶料含 26% 天然橡胶和再生纤维,轮胎在赛后可完全回收,循环利用 

  • 赛车尺寸:5016 毫米 x 1700 毫米 x 1023 毫米(16 英尺 5 英寸 x 5 英尺 7 英寸 x 3 英尺 4 英寸)

  • 赛车重量:854 千克(1883 磅) 


设计考量

集成碳化硅技术的逆变器是电机驱动系统中一个关键组成部分。逆变器将电池提供的直流电 (DC) 转换成用于驱动电机的交流电 (AC),Wolfspeed 的碳化硅器件可以比标准硅器件更高效地执行这一任务。相较于私人汽车,下列一些因素使得搭载碳化硅逆变器设计的电动赛车呈现独特风范。


持续时间和可靠性在 ABB 国际汽联电动方程式世界锦标赛中,相对于电动公路汽车的使用寿命,赛车采用的部件需要持续使用一个认证期。由于电动赛车比赛具有竞争性并对性能高度依赖,所以我们会以更大强度来驱动赛车,但这样通常会缩短使用寿命。例如,我们可以采取在更高栅极电压下工作的方法。大多数汽车客户使用外部组件来减缓功率模块的速度,从而平缓地运行电机。但鉴于效率在比赛中至关重要,因此赛车队会控制功率模块,以尽可能减少损耗。由于所要求的使用寿命较短,因此是可行的。

有趣事实捷豹 I-TYPE 6 车身采用亚麻和碳纤维制成,其中一些材料是从退役的第二代 (Gen2) 车型中回收利用的。


记录实际赛道数据为了验证优化效果,赛季前和赛前都会进行测试,赛后也会复盘所记录的数据,以便确认还有哪些优化可以实施。赛车队还会使用实测数据来改进先进的模拟装置,从而使车手可以在不同天气、赛道和车辆变量下进行模拟训练。

 

有趣事实仅从电池组、轮胎、底盘等“硬件”来看,所有 FE 电动方程式赛车队和赛车手所使用赛车的基础都是一样的,以保证呈现激烈比赛。若想脱颖而出,需要在动力总成、比赛策略、车手技能、悬架设置和电力电子器件方面下足功夫。  

攻击模式(Attack Mode)FE 电动方程式赛车手在比赛中必然会使用高能助推。攻击模式可以让车手获得额外的 50kW 动力,将总功率提升至 350kW,每场比赛可以采用数分钟的攻击模式。车手可以借助此模式执行有难度的超车、追赶、防范超车、或扩大领先优势。但以最大功率驾驶时,大功率模式确实会消耗更多能量

 

有趣事实一般而言,激活攻击模式,需要驶离赛车路线,行至一段已标明的指定“激活区”。如果与下一位车手的间距并不太多,通常会由于非最优路线而导致落后一些排位。车手必须在每场比赛中激活两次攻击模式(否则会受到处罚),但他们可以选择如何分配攻击模式的持续时间。攻击模式的确切持续时间会在赛前设定并公布。如果攻击模式的总持续时间为 4 分钟,则车手可以将两次攻击模式的持续时间分配为 1 分钟 + 3 分钟、2 分钟 + 2 分钟,或 3 分钟 + 1 分钟。

续航里程FE 电动方程式比赛的赛道总长因赛道而异,但通常为 50 英里左右。每辆赛车配备单块电池,要求可以完成整场比赛。相比之下,一些公路电动汽车充电一次的续航里程可超过 300 英里。FE 电动方程式赛车的目标是需要进取且高效的驾驶。所有赛车使用相同的电池,根据所行驶的赛车场,能够使用的电池能量也是有限的。整个赛季的平均可使用能量为 38kWh。这就意味着拥有更高效率的动力总成可以在运行过程中节约能量,从而实现更具进取性的驾驶。

 

珠联璧合:Wolfspeed 和捷豹 TCS 车队开展合作 


若要在 FE 电动方程式比赛中获胜,需要的不仅仅是强大而高效的电机,还需要更轻量的材料、经过优化的电池利用率、车手技能和支持团队。在逆变器中采用 Wolfspeed 碳化硅功率模块,是加速赛道效率和性能的关键。


在捷豹 I-TYPE 6 赛车搭载 Wolfspeed 碳化硅技术和产品是一个重要的测试平台,以研究我们部件能够应对的条件,以及我们能将该项技术推进的程度。我们很大程度上依靠建模和测试来加速学习,帮助我们更快速、更准确地预测器件性能。Wolfspeed 碳化硅半导体技术在捷豹最新 I-TYPE 6 纯电动赛车上的采用,将开创一个“车轮上的创新实验室”。

英文原文链接:

https://www.linkedin.com/pulse/silicon-carbide-power-electronics-racing-vs-standard-automotive-dz0ge/?trk=organization_guest_main-feed-card_feed-article-content


关于 Wolfspeed, Inc.

Wolfspeed(美国纽约证券交易所上市代码: WOLF)引领碳化硅(SiC)技术在全球市场的采用。我们为高效能源节约和可持续未来提供业界领先的解决方案。Wolfspeed 产品家族包括了 SiC 材料、功率器件,针对电动汽车、快速充电、可再生能源和储能等多种应用。我们通过勤勉工作、合作以及对于创新的热情,开启更多可能。了解更多详情,敬请访问 www.wolfspeed.com。 


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