“超能力材质”碳化硅首次应用 解析蔚来ET7电驱系统

电驱系统作为电动汽车的“心脏”，它的性能表现至关重要。想在竞争日益激烈的智能电动汽车赛道走得更远，就必须做得性能更强、续航里程更长。因此不少有能力的电动车企业选择了全栈自研三电系统，作为国内新势力车企头部的蔚来就是如此。

这几年我们不论从超跑EP9还是量产车型ES8、ES6、EC6身上都看到了其在性能方面的优势。大浪淘沙，蔚来能冲到行业头部，在极致的服务体系背后还是核心技术的支撑。在2022年第一季度即将交付的蔚来首款轿跑车ET7落地之前，我们来到了位于南京的蔚来先进制造技术中心（简称XPT）参观了解蔚来第二代电驱系统，而ET7正是首款应用第二代电驱系统的量产车型。在这套以“碳化硅SiC”为核心关键词的系统中，二代电驱系统相比之前有哪些改变？

我们知道电驱系统主要由电机、减速器和控制器三部分组成，电机又分为永磁同步电机和异步感应电机。我们先通过蔚来ET7了解下二代电驱系统，位于前轴的180kW永磁同步电机和位于后轴的300kW异步感应电机共同构成了蔚来二代电驱系统的电机部分，从ET7以后推出的车型也将开始搭载二代电驱系统。

回顾此前蔚来量产车型上的电驱系统配置你会发现，二代电驱系统的永磁同步电机和异步感应电机分别在一代电驱系统的基础上进行了升级：从数据上看，永磁同步电机从160kW升级到180kW，异步感应电机从240kW升级到300kW。而为了保证旗下车型的电驱的广泛适应匹配性，二代电驱系统在壳体规格上保持和一代系统一样的标准，以便于后续车型改款后升级。在此强调一点，蔚来也是少数的同时具备异步感应电机和永磁同步电机研发生产制造的企业。

而什么是碳化硅？它是一种材料，属于第三代宽禁带半导体材料，具有开关速度快，关断电压高和耐高温能力强等优点。碳化硅材料主要应用在二代电驱系统的主驱，也就是这个180kW的永磁同步电机上。从二代电驱系统整体看，它主要有三个特点：更高效率、更高性能、更安静。

利用碳化硅功率器件设计的电机控制器，能大幅提高永磁同步电机驱动系统的效率及功率密度。碳化硅器件应用于主驱，还能够提升电动汽车的续航能力。180kW永磁同步电机碳化硅模块的应用，使电控系统的综合损耗降低了4%～6%，很好的改善了ET7在城市工况下的功耗表现。具体来看：

1.更耐高温，同等体积下最大电流能力提升30%以上；

2.适合更宽电压范围工作，扩展兼容性更好；

3.开关速度更快，开关时的功率损耗更小；

4.多目标优化的高速驱动电路设计，采用更小环路电感，更强驱动芯片，来实现更快的开关速度；

5.多目标优化的效率控制策略，变开关频率+离散PWM方案可以大幅降低开关损耗，分别降低35%和33.3%，而调制优化策略则能有效的将系统功率提升5%～10%。这三项技术的加入，能够全面提升电驱动效率；

6.主驱电机CLTC工况效率≧91.5%。

碳化硅材质的应用以及多项的细节优化使得二代电驱系统性能得到提升：从性能参数看，ET7上的二代电驱系统综合峰值功率480kW，相比上代电驱系统提升20%；综合峰值扭矩850N·m，相比上代系统提升23%。它使得ET7百公里加速成绩可以达到3.9s。那系统功率扭矩提升的技术路径有三点：1.优化电磁电机方案；2.优化减速器速比；3.精准预估模块寿命。

前180kW永磁同步电机控制器电流提升，并优化了电机电磁方案，来提升电机功率；减速器速比也进行了调整，从9.57到了10.48，以获得更高的轮端扭矩；

后300kW异步感应电机的控制器电流能力同样进行了提升，并优化了电机电磁方案，提升了电机输出力矩。

这里说的还是180kW的前轴主驱电机，相比于160kW电驱系统，通过悬置融合控制的EDS总成模态优化、电机非均匀气隙及高正旋气隙磁密、齿轴结构优化设计和控制器谐波注入与控制策略的优化，在ET7上实现了更好的NVH效果，车内综合工况噪音进一步降低5-15dB。

1.基于悬置融合控制的EDS总成模态优化

EDS在开发之初，便从整车系统进行优化设计。悬置系统的动静刚度匹配，EDS的模态map的解耦等措施的应用，确保EDS总体架构的实现NVH性能最优。

2.电机非均匀气隙及高正旋气隙磁密

电机在提升性能的同时，通过电磁优化（非均匀气隙）均衡电磁径向力，并通过气隙的正旋化，优化了扭矩波动，达到的最佳的NVH表现。

3.齿轮的齿形齿向精密优化设计

通过对ET7电驱动系统内部齿轮的精密加工，在大批量制造的前提下，做到了微米级别的精度控制，可以让车辆工作时齿轮啮合时更为紧密，提升了传动效率，噪音也更小，可以进一步优化ET7的NVH表现。

4.谐波注入算法迭代优化噪声抖动

迭代优化的谐波抑制算法，在计算出谐波电压后，可以更好的对电压使用谐波电压进行补偿，使电机工作时所产生的电磁噪音，电驱动系统整体噪声降低5~15dB，为用户提供更静谧的驾驶环境。

此外值得一提的是，在二代电驱系统上电机加热电池功能下，当电池在低温下的性能较弱，电机系统通过开发特殊功能，在低温下通过优化利用电机的废热加热电池，最大能提供超4kW的加热功率（相当于4个家用电热炉），让电池始终处于最适宜的工作温度，在低温下能够获得更好的性能和续航表现。但这项功能会让电机产生额外的噪音表现，通过软件谐波控制算法，消除该工况下的噪音。

总结：

首发应用在ET7上的蔚来二代电驱系统最主要是实现了碳化硅的量产，它将于2022年一季度开始交付，蔚来实现这一目标也在行业前三的序列。从碳化硅的技术特性看确实有效提升了电驱系统的各项指标，以保证蔚来的最新三电系统仍保持较强的技术竞争实力。

而碳化硅本身不论从原材料角度还是核心技术研发角度都存在着“被卡脖子”的风险，尤其是核心模块目前仍需依赖进口，蔚来基于对碳化硅的长期看好也与对应的供应商公司签订了长期的合作协议，保证相对优先供货，目前来看这一技术路线的隐忧得到了不错的解决，我们也更期待早日体验到ET7的实际性能表现。

本文说说碳化硅的那些事。 碳化硅材料的发展 历史 比较久远，1824年瑞典化学家Berzelius在人工生长金刚石的过程中发现了碳化硅SiC。1885年Acheson用焦炭和硅石的混合物以及一定量氯化钠在熔炉中高温加热，制备出了小尺寸碳化硅晶体，但存在大量缺陷。 碳化硅材料的应用始于20世纪初。1907年美国Round制造出第一个碳化硅发光二极管；1920年碳化硅单晶作为探测器用于早期的无线电接收机上。不过因为单晶生长难度较大，碳化硅在很长一段时间内没有很好的应用，到了1955年飞利浦发明了一种采用升华法制备高质量碳化硅的新方法即Lely法，碳化硅材料再次焕发生机。 七八十年代碳化硅的制备及应用实现重大突破。1978年前苏联科学家Tairov等人改良了Lely法，可以获得较大尺寸的碳化硅晶体。1979年第一个碳化硅发光二极管问世；1981年Matsunami发明了在硅衬底上生长碳化硅单晶的方法；1991年美国公司Cree采用升华法生长出碳化硅晶片并实现产业化。 目前碳化硅及其应用呈现出以下几个特点：第一是晶圆尺寸实现大尺寸化，Cree的6英寸碳化硅晶片实现产业化，并积极推进8英寸晶片的产业化。第二晶体缺陷密度不断下降，比如4英寸碳化硅单晶微管密度下降至0.1cm^-2以下，穿透性螺位错和基平面位错密度控制在10^2cm^-2。第三碳化硅基功率器件不断涌现，除了特斯拉和蔚来 汽车 在电动车上使用了SiC-MOSFET，还发展出了SBD、HMET等器件。当然第四点相比硅基半导体的奋起直追，中国在碳化硅第三代半导体上与国外发展水平基本持平，衬底方面天科合达等实现了4英寸的产业化和6英寸的技术突破，并积极向8英寸推进；山东天岳等公司拥有相应的外延生长技术。在器件制造上扬杰 科技 、士兰微等也积极推进碳化硅基功率半导体的产业化。 碳化硅材料的特性之一就是拥有超过200多种晶体结构，每一种结构对应的电学性能等存在一定差异。目前主要是六角4H、六角6H和菱方15R等，其中4H和6H实现产业化： 总体上相比氮化镓和硅等，碳化硅材料拥有最高的热导率、较高的带隙、电子迁移率和饱和电子速率等，可以制造能在高温、高压、更高功率和更高工作频率等情形下的器件。 在具体应用方面，碳化硅主要实现了以下应用：第一是碳化硅为衬底制备高亮度和超高亮度蓝绿InGaN铟镓氮LED；第二是实现了KV级高压MOSFET器件制造，比如罗姆半导体生产的1200V、35A的SiC-MOSFET；第三是用于300V到1200V甚至3300V等更高压的碳化硅基肖特基势垒管SBD的制造；第四是在半绝缘碳化硅衬底上制备氮化镓、铝镓氮AlGaN高电子迁移率晶体管HEMT；第五是在SiC-IGBT上有所突破，实现了P沟道IGBT的制造。 在碳化硅材料制备上，1955年飞利浦提出了Lely法，也称升华法。Lely法的基本原理是：在空心圆筒状石墨坩埚中（最外层石墨坩埚，内置多孔石墨环），将具有工业级纯度的碳化硅粉料投入坩埚与多孔石墨环之间加热到2500度，碳化硅在此温度下分解与升华，产生一系列气相物质比如硅单晶、Si2C和SiC2等。由于坩埚内壁与多孔石墨环之间存在温度梯度，这些气相物质在多孔石墨环内壁随机生成晶核。总的来说Lely法产率低，晶核难以控制，而且会形成不同结构，尺寸也有限制。 目前碳化硅材料制备多采用改进Lely法、高温CVD法和溶液法，其中以改进Lely法为主流。 改进Lely法也称物理气相传输法PVT，是前苏联科学家Tairov和Tsvetkov于1978年提出的。改进Lely法使用了工作频率10-100KHz的中频感应加热单晶炉，在生长过程中加入籽晶用于控制晶核和晶向： 在改进Lely法中碳化硅单晶生长主要经历低温高真空阶段、高压升温阶段、高压保温成核阶段、降压生长阶段、恒压恒温生长阶段和升压冷却阶段等六个阶段。当然在具体生长过程中，为了制备符合要求的碳化硅单晶，降低微管、位错密度等缺陷，会对籽晶的籽晶面等适当微调，在此不再展开。 碳化硅单晶有绝缘型、半绝缘型之分，按照掺杂类型还有P型掺杂和N型掺杂之分，无形中提升了碳化硅的制备难度。比如制备功率器件的是N型4H-SiC衬底，器件要求衬底电阻率小于20毫欧姆*厘米，制备低电阻率的N型4H-SiC常用高浓度N掺杂，但随着掺杂浓度提高，单晶中位错密度会升高。Kato等人提出的氮、铝共掺杂技术制备出了低电阻率的N型4H-SiC单晶，所用的单晶炉有两套加热系统，其中上部加热系统与普通Lely法相同，主要对SiC原料加热并为单晶生长提供合适的温度；下部加热系统为铝原料加热。这样通过对生长压力、温度等参数调整，可以实现有效的氮、铝共掺杂。 碳化硅的外延主要采用化学气相沉积CVD，以后再说。

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