氫燃料電池商用車高速空壓機驅動方案

對於污染物排放，據《中國移動源環境管理年報（2021年）》顯示，2020年，全國機動車四項污染物排放總量為1593.0萬噸。其中，一氧化碳（CO）、碳氫化合物（HC）、氮氧化物（NOx）、顆粒物（PM）排放量分別為769.7萬噸、190.2萬噸、626.3萬噸、6.8萬噸。柴油車 NOx排放量超過汽車排放總量的80%，PM超過 90%；此外，非道路移動源排放對空氣質量的影響也不容忽視。非道路移動源排放二氧化硫（SO2） 16.3萬噸，HC 42.5萬噸，NOx 478.2萬噸，PM 23.7萬噸。其中，工程機械、農業機械、船舶、鐵路內燃機車、飛機排放的NOx分別占非道路移動源排放總量的31.3%、34.9%、29.9%、2.6%、1.3%[2]。大力發展新能源的輕卡、重卡、工程機械等商用車，不僅可以減少碳排放，還可以有效的促進減少污染物排放。純電動和氫燃料電池，哪種更適合重卡？高速空壓機驅動作為氫燃料電池關鍵部件又有哪些方案？本文將對這兩個問題深入探討。

2.新能源商用車

2.1 新能源商用車發展方向

• 電池自重；過大的電池自重會增加整車成本。同時也會降低載貨量，這直接削弱終端使用者的盈利能力。

• 補能次數及時間；頻繁的補能和單次的補能時間會降低終端客戶的使用效率。

• 低溫特性；冬天續航降低也會降低使用效率。

接下來通過對重卡的耗電量及電池自重來說明。表1 是選取的A、B、C三種不同品牌的車身尺寸，計算出迎風面積A，並求其平均值為9.52m²；選取重型牽引車和掛車的風阻係數Cd為0.704[3]。

下面通過簡單計算舉例分析，純電重卡的限制因素。

表1.三個不同品牌牽引車尺寸

其中G代表汽車重力，f代表滾動阻力係數，α為道路坡角度，CD空氣阻力係數，A為迎風面積，ua為汽車相對速度，du/dt為直線行駛加速度，δ為汽車旋轉質量換算係數，m為汽車質量[4]。

根據公式（1）汽車行駛方程式，現假設車在水平道路上無風勻速行駛，且效率為100%，按照經驗值選取為0.013[4]，按照A、B、C三輛不同重型牽引車的平均水平的相關數據可得：

表2.假設按照100%效率行駛100km的耗電量

目前一般情況下動力電池的能量密度在140~160Wh/kg，個別突破200Wh/kg。如果要保證重卡在80km/h速度下、滿載長途續航500km，按照180Wh/kg的電池能量密度並結合表2中的181.2 kW▪h的耗電量，100%效率情況下，需要的電池為906kW▪h，換算成質量為5033kg。這對於商用車而言，意味著每趟載貨量的降低。但是如果應用場景放在市區或特定小範圍區域內，按照時速20km/h行駛，僅需滿足滿載續航210km便可以維持一天的使用，此時電池的重量僅為1486kg。

所以對於城市、港口、碼頭等區域內低速中短途行駛，純電動重型卡車的電池自重和補能都不會成為限制使用的短板。但是如果是長途重卡、牽引車等，勢必要通過增加補能次數或犧牲載貨量來滿足使用需要。無論是增加補能次數還是減少載貨量都會降低長途重卡運營效率。

氫能來源廣泛、熱值高、無污染，是備受青睞的清潔能源。利用可再生能源制氫，還可以有效消納棄風、棄光的電力。以可再生能源所制的氫為燃料的氫燃料電池重型卡車，可以做到整個過程的完全的零排放、無污染。

氫燃料電池重卡具有續航能力長，加氫速度快、低溫性能優越等優點。其次氫燃料的能量密度高，通過增加氣瓶體積或提高儲氫壓力等方式提高續航能力的潛力比較大，冬天低溫不會影響續航，並且氫燃料電池電堆運行發熱也可以為冬天車內供暖提供熱量。所以大體上講，氫燃料電池重卡更適合長途運輸。

• 氫氣罐

• 氫氣循環泵

• 燃料電池電動空氣壓縮機

• 燃料電池DC/DC升壓轉換器

• 燃料電池水泵和風扇，用於熱管理和水管理

• 燃料電池監測（電壓、壓力、溫度、泄漏和濃度監測）

圖1.氫燃料電池系統框圖

燃料電池堆需要通過氫氣與氧氣的電化學反應才能產生電能。對於可移動的燃料電池堆，只能從空氣中獲取氧氣；為保證電堆的電化學反應有良好的空氣供應，空氣壓縮機被用來將空氣推入到燃料電池系統中，為燃料電池系統提供特定壓力和流量的乾淨空氣。燃料電池系統的性能很大程度上取決於可用的空氣量，所以空壓機是氫燃料電池系統的關鍵部件。

為避免潤滑油導致燃料電池中毒，空壓機需要使用無油電機；車的應用場景也決定了空壓機要體積小、低噪音、高效率和動態響應快，所以目前行業內主要使用的離心式氣懸浮空壓機。

離心式氣懸浮空壓機採用空氣軸承，使用空氣潤滑。使用空氣軸承可以減少磨損、無油，同時氫燃料電池空壓機轉速高達每分鐘十萬轉以上，高轉速的需求也需要無接觸軸承技術。

空壓機高轉速對應的是電機控制器的高輸出頻率，一般最高超過2500Hz[5]，這就要求控制器的載頻比較高，一般在50kHz以上。對於高開關頻率的應用，結合目前成熟的寬禁帶半導體器件，SiC MOSFET是首選器件，可以應用在成熟的兩電平三相逆變橋拓撲中。同時也有基於三電平NPC1拓撲的電機驅動方案。由於空壓機的功率與電堆功率相配套，隨著電堆功率的不斷提升，空壓機的功率也相應的提升，目前以15kW和30kW這兩個功率等級的空壓機為主。

4.1.1 兩電平拓撲

兩電平三相逆變橋拓撲廣泛應用在變頻器、伺服驅動器、工業機器人、家電等行業，該拓撲簡單、成熟、穩定、可靠。當然傳統的工業電機驅動使用的功率器件主要是IGBT，開關頻率一般在8kHz以內。如前文所說，對於高速空壓機驅動，目前首選SiC MOSFET。SiC MOSFET以其低開關損耗的特點，已經在電源和新能源行業中得到廣泛應用。以30kW空壓機驅動器為例，作為目前主流的空壓機功率等級，主要使用的功率器件為3個30mΩ型號為IMZ120R030M1H的SiC MOSFET單管並聯或11mΩ的型號為FF11MR12W1M1_B11的SiC MOSFET模塊。

圖 2 兩電平電機驅動拓撲

兩電平SiC MOSFET方案雖然結構簡單、控制方便、功率密度高。同時SiC作為高頻器件開關速度快，同時在逆變器上也產生了非常陡峭的電壓波形，也帶來了較高的dV/dt。它會在絕緣繞組上產生電應力，也更容易發生局部放電，從而損壞繞組絕緣[6]。

影響絕緣材料的老化有四大類：熱應力、電應力、環境應力和機械應力。隨著寬禁帶器件的發展和開關頻率的提升，電應力目前也需要重點考慮。當電氣繞組受到比較高的電應力時，會發生局部放電，此時空氣暫時成為導體，導致絕緣系統受到侵蝕或破壞。局部放電可能會發生在地牆絕緣，特別是在氣隙中[7]。採用SiC器件的逆變器的使用會導致繞組對地過電壓和繞組間電壓的增加，最終導致相關絕緣介質出現局部放電。隨著開關頻率的提高還會增加放電重複率和能量。如果電纜電阻不匹配，在線纜上產生的反射電壓形成的高震盪也會加重局部放電現象。

繞組絕緣被破壞會導致電機相間短路，從而讓逆變器發生短路，特別是目前一些SiC MOSFET不具備短路能力，造成輸出短路時逆變器失效。

通常解決方案有：增加電機繞組絕緣等級和降低dV/dt。目前主要方法有採用輸出濾波器抑制dV/dt，但這樣會增加體積和成本，同時降低效率。那麼通過增大驅動電阻降低dV/dt會顯著增加開關損耗也會降低效率；使用帶有斜率控制的柵極驅動器（SRC，Slew-Rate Control）也可以不犧牲開關損耗的前提下減少dv/dt。

無論是IGBT還是MOSFET，都是常用作開關器件。為了減少開關損耗進而提高效率，器件開與關之間的切換越快越好。然而如果開關的太快，dV/dt就越大，又有可能面臨EMI的問題，並且這個現象在小電流輕載時更突出。所以不得不在開關速度和EMI之間折中。

但如果使用帶有斜率控制的柵極驅動器，dV/dt可以在一定範圍內受控可調。比如負載工作在小電流時減小dV/dt，而負載工作在大電流時增大dV/dt，以期達到滿足相應EMI要求下整體開關損耗降低的目的。

4.1.2 三電平拓撲

三電平拓撲在UPS、光伏、儲能等行業廣泛使用，三電平電路相對於兩電平電路可以通過較低的開關頻率即可以實現輸出電流波形更接近正弦。電平數的增加，降低了器件的電壓等級和開關損耗，dV/dt也相應的降低，EMI表現也變的更好。同時還可以降低器件成本。

圖3.三電平電機驅動拓撲

NPC1拓撲工作在逆變狀態時，外管IGBT1和IGBT4為高頻管，基於IGBT的三電平拓撲配上SiC 二極體，可以大幅度減少外管開通損耗從而為開關頻率的提高增加了空間。

英飛凌具有適用於不同開關頻率的晶片，以650V TRENCHSTOP™ 5 IGBT為例，從低到高分別有L5、S5、H5系列的晶片可以選擇。目前已有S5系列的IGBT和SiC二極體組成的NPC1模塊應用在電源行業中。

4.2.1 SiC單管

如圖4所示，目前常見的SiC單管封裝主要有三種：TO-263-7、TO-247-3和TO-247-4。如圖5所示，TO-247-4比TO-247-3多出一個源極輔助管腳，用來將驅動迴路和功率迴路解耦，這樣可以減少開關損耗和驅動迴路的震盪，一般把這個管腳稱為開爾文管腳。以CoolSiC™ MOSFET 45mΩ、封裝為TO-247-4產品為例，從產品規格書可以看到，由於封裝不同，它開通損耗比CoolSiC™ MOSFET 45 mΩ TO-247-3產品低40%，關斷損耗低10%。

TO-263-7封裝的產品由於使用回流焊工藝，方便整機通過振動測試，表貼器件連接更加緊密，方便自動化生產，並且可以通過鋁基板散熱。

4.2.2 SiC模塊

模塊方案可以通過不同的配置將SiC晶片封裝在一個功率模塊內，如半橋、全橋、三相橋等等，還可以預塗TIM（Thermal Interface Material，熱界面材料）或採用高性能的氮化鋁（AlN）覆銅陶瓷基板（DCB）。SiC MOSFET作為高頻開關器件需要低的寄生電感才能充分發揮SiC高速低損耗的優勢。以Easy封裝為例，Easy1B為9nH，Easy2B為8nH。並且Easy封裝柵極電感低，上下橋一致性好。

如下圖6所示，DCB材料的熱阻在水冷系統的整個散熱路徑下的占比達到30%。使用AlN的DCB材料後，不僅可以降低DCB層的熱阻，還能降低矽脂層的厚度及熱阻，最終模塊的結到散熱器的熱阻可以降低約40%。

圖6.散熱系統的各部分的熱阻占比

基於PLECS仿真軟體，分別做兩電平SiC MOSFET熱仿真和三電平混合模塊熱仿真。

4.3.1 兩電平方案仿真

針對兩電平SiC MOSFET方案，選取TO-247-4封裝、SiC MOSFET 標準模塊、預塗TIM的SiC MOSFET模塊和使用AlN DCB的SiC MOSFET模塊，如下表所示：

表3.兩電平SiC MOSFET仿真方案

按照以下相同的工況仿真：

• 連續運行

• 母線電壓 VDC=700V

• 開關頻率 fsw=50kHz

• 輸出功率因數 cos ϕ= 0.95

• 輸出頻率 fout=2000Hz

• 散熱器時間常數 τHA=60s

• 固定散熱器溫度 TH=65°C

• 輸出相電流 Iout=80ARMS

仿真結果如下表所示：

表4.2電平SiC MOSFET方案熱仿真結果

從上表的仿真結果看出，第4組使用AlN DCB的SiC模塊的損耗最小、晶片結溫最低、效率最高，同時預塗TIM的模塊的結溫也比標準模塊的結溫低。

4.3.2 三電平方案仿真

針對三電平Si IGBT配合SiC二極體混合模塊方案，其模塊配置如下表所示：

表5.三電平混合模塊的晶片配置

按照與4.3.1相同的工況仿真，其結果如下表所示：

表6.三電平方案混合模塊的熱仿真結果

從上表可以看出，因外管IGBT T1/T4與SiC二極體D5/D6換流，大大降低了T1/T4的開通損耗，該模塊從而可以工作在高開關頻率，即便效率和功率密度低於SiC MOSFET，但其也在97%以上。結合三電平較低的dV/dt，該方案不失為一種不錯的低成本的選擇。

本文通過基於汽車行駛方程式的計算介紹了氫燃料電池商用車特別是長途重卡的優勢，並介紹了氫燃料電池高速空壓機的兩電平拓撲和三電平拓撲及其各自優勢。兩電平拓撲控制簡單，通過仿真結果可以看出，使用SiC MOSFET模塊效率高、集成度好，整個換流迴路的低雜散電感有利於充分發揮高頻器件開關速度快的優勢，並且模塊安裝方便有利於提高生產效率、降低生產成本，是最佳的方案選擇。結合成本考慮下的三電平方案，使用矽基的 IGBT搭配SiC二極體可以工作在高開關頻率下，也能滿足高速空壓機工況的性能要求；三電平方案同時具有低dV/dt的特點。英飛凌生產全系列產品，無論是SiC模塊或SiC單管還是三電平模塊，可以幫助用戶選擇合適方案用於商用車氫燃料電池空壓機驅動器。