一、引言
只有突破技术壁垒，汽车电动化的进程才能进一步加快。在欧洲，燃油车的销售将于 2035 年全面终止；法国预计到 2030 年，道路上的电动汽车数量将超过 1300 万辆 [1]。包括斯特兰蒂斯、奔驰、沃尔沃、雷克萨斯在内的众多车企，已开始向纯电动产品线转型，部分企业计划在 2026-2035 年间逐步淘汰内燃机 [2]。
在此背景下，法国 5 家工业和研究机构组成联盟，研发一款面向道路运输（涵盖乘用车和商用车）的生态设计牵引逆变器。该逆变器将采用 800V 技术，在紧凑性、轻量化、电磁兼容性、能效和成本方面实现大幅提升。项目目标是 2026 年在法国实现这款高端逆变器的产业化，从逆变器层面解决环境和运行层面的双重挑战。
1.车辆续航能力
从发展历程来看，特斯拉等车企的电动汽车传统上采用 400V 电压平台，但充电速度受电流限制。将电压从 400V 提升至 800V，充电功率可实现翻倍，充电时间大幅缩短 [3]。越来越多的车企开始布局这一技术升级，但这对电气设计提出了更高要求、更高的功率密度、更大的电气间隙和爬电距离要求，与逆变器小型化、功率密度大幅提升的设计目标形成了挑战。
2.产品报废与温室气体减排
在法国，交通运输领域的二氧化碳排放量占全国总排放量的 38%[4]，因此亟需通过汽车电动化实现该领域的脱碳。
目前，电子元件的生态设计、可维修性和回收利用并未在产品设计阶段得到充分考量。电动化转型必须伴随报废元件回收技术的重大突破。
针对包含直流母线在内的逆变器产品，实现上述目标的核心策略包括：
-
选用环保材料和 / 或轻量化技术。层叠式母线排技术通过叠合薄绝缘层和导电层制成，是一种极具潜力的技术方案，但其可回收性仍需验证。 -
采用便于产品报废拆解、且能降低生产能耗的元件装配技术。 -
逆变器的能耗主要源于功率损耗（焦耳定律），因此可通过仿真工具预判发热区域并优化设计，抑制导体和电容器的过热，从而实现显著的节能效果。
本文第一部分阐述了功率变换面临的挑战、所研发直流母线的各组成部件及装配方式；第二部分通过仿真和实测的方式，对直流母线的电感和热特性进行表征分析。
二、逆变器用直流母线
1、功率变换面临的挑战
电动汽车的功率变换是核心环节，需将电池的直流电转换为驱动电机的交流电，充电时则完成反向转换。相较于 400V 系统，800V 逆变器能提升功率、缩短充电时间，且在相同功率下可降低电流，实现产品小型化。
本项目由庞趣动力总成公司主导，研发的 800V 逆变器在性能上较现有产品提升 2-3 倍，且体积更小。该逆变器的持续功率目标为 270kW，10 秒短时峰值功率达 400kW；而 2022 款起亚 / 现代 800V 逆变器的持续功率为 160kW，峰值功率仅 250kW。
图 1：逆变器直流母线的标准设计
受上述设计目标影响，直流母线的设计面临以下新挑战：
-
母线电压峰值可达 900V，根据相关标准，其电气间隙和爬电距离需分别较 400V 逆变器提升 5 倍和 2 倍，因此导体之间、尤其是导体与冷却系统之间的电气绝缘要求大幅提高。 -
直流母线的持续工作电流为 400-500A，短时峰值电流可达 750A，这对追求小型化、轻量化的系统而言难度极大。设计中必须避免电流通道出现窄截面区域，防止产生热点；同时需配备高性能的冷却系统和热管理方案，尤其要严格控制电容器的温度 —— 这一因素对元件寿命影响显著 [5]（见图 2，为本项目所用薄膜电容在不同温度下的寿命与额定电压的关系曲线）。
-
直流母线的核心功能是为系统提供容性补偿，因此提升系统的电容密度（目标电容 500µF）是关键设计难点。
为实现最优的体积 - 电容比，需并联多个小型电容器，并通过合适的部件实现互连。现有多种技术可实现该功能，结合高功率、高电压的设计要求，层叠式母线排技术的优势尤为突出。该技术可实现紧凑的结构设计，同时具备优异的电气性能，例如能实现电容器与功率模块的高效连接，保证功率的均匀分配，并最大限度降低电感和电阻。
2、层叠式母线排的作用
数十年来，层叠式母线排在工业、轨道交通等领域一直作为电缆的替代方案，应用于配电系统、逆变器等大电流场景。其核心原理是将绝缘层与导电层相互叠合，经层压工艺后，导电层被封装在绝缘层之间，从而提升电气性能 [6]。
图 3：工业用层叠式母线排的横截面
层叠式母线排的核心优势是电流密度高于传统电缆系统，可实现更高效、更紧凑的设计。该技术能便捷地连接电容器、功率模块等不同元件，且支持多种装配方式，如螺栓连接、激光焊接、超声波焊接等。由于导电层面对面布置，且层间绝缘层较薄，该技术还能有效降低系统的电感值。
三、电容器与母线排的集成设计
1、电容器集成方式
根据设计要求的不同，直流母线总成可选用多种类型的电容器 [7]。常规电容器的核心部件（电容芯体）会封装在塑料外壳中，再通过导线端子焊接的方式与母线排连接（见图 4）。该装配方式易于产业化，但不利于电容器的热管理。
图 4：焊接在层叠式母线排上的塑料外壳薄膜电容
为优化电容器的装配方案，本项目研发了一种新型集成技术：拆除电容器的塑料外壳，在电容芯体两侧布置导电体，通过焊接工艺实现电容芯体与母线排的直接连接（见图 5）。
图 5：电容芯体焊接在导电体上的直流母线系统
该方案仅保留电容器的功能核心部件，可降低电容器的等效串联电阻（ESR）和等效串联电感（ESL），同时提升电容芯体向母线排和冷却系统的热传递效率。
拆除塑料外壳和灌封树脂后，电容芯体易受湿气侵蚀，导致金属化薄膜的电气性能下降 [8]。因此，需对直流母线进行整体灌封，以保证系统的电气性能和使用寿命。总体而言，该创新方案能有效解决直流母线总成中的电感问题。
2 电容密度与设计考量
在电容密度设计方面，采用大尺寸圆形电容芯体的方案效率较低，芯体之间会产生大量无效间隙，影响系统的紧凑性。
为此，本项目将电容芯体进行轻微扁平化处理，制成椭圆形结构，能更充分地利用可用空间，提升有效空间占比（见图 6 为扁平化的薄膜电容芯体）。
图 6：扁平化薄膜电容芯体
本项目设计的直流母线中，共并联 18 只额定电容 21.67µF 的电容器，总电容达 390µF。
四、直流母线的特性表征
在产品设计开发阶段，需通过热电和电磁仿真对设计方案进行优化，再开展原型机制备，其中核心是预估母线排的电感值和过热区域，识别潜在热点。
原型机制备完成后，需对母线排的核心性能进行表征测试。本文将阐述仿真、实测的结果，并分析二者的相关性。
1、电感特性
降低直流母线电路的电感值，对提升电力电子系统的性能、可靠性和能效至关重要。低电感可减小瞬态过电压峰值、改善动态响应、降低能量损耗、减少电磁辐射，同时提升系统稳定性。
A 优化接线端以降低电感
市面上多数直流母线产品的正、负极接线端为凸伸式设计，且相互分离。电感仿真结果显示（见图 7），该设计不利于电感优化，因此需优化接线端的几何结构，降低该区域的电感值。
图 7：凸伸式接线端母线排的电感仿真结果（14nH、13.6nH）
电感值与各导电层的重叠面积直接相关 [9]，因此理想方案是使功率模块的连接区域完全重叠，以最大限度降低电感（见图 8）。
图 8：全重叠式接线端母线排的电感仿真结果（0.83nH）
但该设计受电气间隙和爬电距离的限制，无法直接落地。为此，本项目对设计方案进行改进，开设 “U 型” 开口，实现接线端的部分重叠（见图 9），该设计可满足 IEC 60664 标准的要求。下文将展示该新型设计的电感仿真结果。
图 9：电感优化型接线端设计
B 电感仿真
电感仿真是快速计算设计方案电感值并进行优化的有效手段。影响母线排电感的参数众多，如输出端子的长度、间距（应尽可能减小），以及端子的设计形式（需考虑导电层的充分重叠）。
本项目中，电感仿真的测试对象为直流母线中与功率模块螺栓连接的 3 个端子（见图 10 中直流母线模块的左侧）。
图 10：1MHz 频率下直流母线的电感仿真结果（11.82nH、10.52nH、11.31nH）
本项目采用 COMSOL Multiphysics 仿真软件的交直流模块，通过有限元仿真完成电感计算，仿真频率设定为 1MHz（这是金属 - 氧化物 - 半导体场效应管两种工作状态的标准转换频率）。为简化计算，仿真中移除了绝缘层（其对电感无影响），并将电容器替换为分流器实现短路。需注意的是，该处理可能带来仿真误差，因为电容器本身存在固有电感。
仿真结果显示，该直流母线的平均电感值约为 11nH。
图 11：采用 LCR 测试仪的直流母线电感实测
C 电感实测
电气设备的电感测量难度较大，因为电感是一种对外部因素高度敏感的参数，测量结果易受实验流程、测试线缆、仪器设备等因素影响。
本项目采用是德科技的 E4980A LCR 测试仪，并搭配轴向引线元件专用测试夹具，对直流母线的电感进行实测。测试时需选定特定的电感测试回路，将对应的两个端子连接至测试夹具（见图 11）。
图 12：直流母线的阻抗 Z 和等效串联电阻 ESR 随频率的变化曲线
在 1kHz-2MHz 的频率范围内进行扫频测试，读取阻抗 Z（单位：Ω）和相位角 θ（单位：°），可获取直流母线在不同频率下的等效串联电阻（ESR）、电容等特性参数，本项目设计的直流母线的相关曲线见图 12。
根据电路谐振的基本定律，电感值 L（单位：nH）可通过以下公式计算：
式中：
阻抗的虚部和实部分别为电抗 X 和等效串联电阻 ESR，即。
通过图 13 的阻抗 Z 复平面示意图，可利用三角公式计算 X 和 R（ESR）：
图 13：阻抗 Z、电阻 R 和电抗 X 的复平面示意图
式中：
电抗 X 的计算公式为：
通过上述公式计算得出，该直流母线在 1kHz 频率下的电容值为 390.58µF，最终电感值。
庞趣动力总成公司对包含直流母线和功率模块的整体电路进行了电感实测，采用双脉冲法（见图 14）计算电路的总电感值，测得结果为 9.94nH，与该公司现有产品所用直流母线的电感值（8-10nH）基本一致。
图 14：含功率模块的直流母线回路电感测试电路
D 仿真与实测结果的相关性
本项目中，电感仿真值为 11.82nH，实测值为 12.79nH，二者偏差小于 10%，处于可接受范围，偏差原因主要包括：
-
仿真建模时的近似处理，如将电容器替换为分流器，而电容器实际的固有电感与仿真分流器存在差异； -
为将母线排与测试夹具连接而进行的接口适配，导致电感值略有增加。
后续将采用 ΔV 法开展补充测试，该方法的原理是向母线排输入脉冲信号，测量输出信号的相关特性，再通过以下公式计算电感值：
式中：
本项目已完成该方法的初步测试（测试装置见图 15），但因测试线缆产生的噪声，测试结果尚未达到一致性要求，目前正对测试装置进行优化，以获取有效数据。
图 15：采用 ΔV 法的电感测试装置（部分）
2、热管理
控制直流母线的工作温度，是保证其可靠性和使用寿命的关键。如前所述，电容器的寿命与工作温度、电压密切相关。直流母线过热不仅会缩短电容器的使用寿命，还会导致功率损耗增加、产品性能下降，因为元件的电气特性会随温度发生变化。
A 热仿真
热仿真是产品合理定型的重要手段，可根据工作温度选择合适的材料、识别电流流通产生的热点、精准呈现元件工作过程中的温度分布。通过精细化的热分析，能准确预判产品的使用寿命，保障其可靠、高效运行。
本项目采用 COMSOL 仿真软件的交直流模块，通过有限元法开展热仿真。
建模完成后，将直流母线置于环境温度 85°C 的工况中，逆变器的冷却系统为底部冷却液回路，等效为 65°C 的冷板。向母线端子注入 420A 的直流电流，首次仿真结果显示，母线排的温度大幅上升，导致电容器严重过热（最高达 116°C），具体见图 16。
图 16：仅采用逆变器自身冷却时的直流母线温度分布云图
直流母线的热源来自输入端子的热点，但其几何结构由交流滤波器端子决定，无法修改。增大导体截面积虽能缓解过热，但会增加电容器与母线排的焊接难度，因此该方案不可行。
在该冷却方案下，母线排的最高温度达 135°C，需采用耐高温绝缘材料；同时有 2 只电容器的温度升至 116°C，超出其最高允许工作温度，无法保证直流母线的安全使用。
由于端子的几何结构受外部约束无法优化，本项目提出通过提升系统的冷却性能解决过热问题，具体方案为采用铝制外壳，增强向冷却系统的热传导，同时铝制外壳可为直流母线的树脂灌封提供封闭环境，便于灌封工艺实施。但铝是导电体，因此需提升母线排的电气绝缘性能，确保其与铝制外壳之间的绝缘性。
基于该方案，本项目开展了新增铝制外壳的热仿真，重点分析母线排和电容器的温度变化，结果显示铝制外壳可实现直流母线的高效冷却（见图 17）。
图 17：持续电流工况下直流母线的温度分布云图
仿真结果显示，与无铝制外壳的方案相比，新增铝制外壳后，直流母线的温度降低了 30°C。优化后，母线排的最高温度控制在 105°C 以下，可采用标准绝缘材料；电容器的最高温度不超过 86°C，满足产品目标使用寿命（约 70000 小时）的设计要求。
B 热仿真与实测结果的相关性
基于上述设计方案，本项目完成了原型机制备（见图 5），下一步需验证直流母线模块的热特性，并与仿真结果对比。
图 18：直流母线中热电偶的布置位置
庞趣动力总成公司在直流母线的表面、电容器之间的灌封层中布置了热传感器（热电偶），具体位置见图 18。
为实现仿真与实际工况的有效对比，需保证二者的环境条件和电流曲线一致。为此，本项目开展了适配实际测试工况的热电仿真（结果见图 19），并在相同工况下进行实测，二者的结果对比见表 1。
图 19：适配实际测试工况的直流母线温度分布云图
表 1 仿真结果与实际测量结果对比表
仿真与实测结果对比显示，中间位置的热电偶（A2、B2、C2）在 500A 工况下的数值偏差显著，本项目对此提出的假设为：电容器的等效串联电阻（ESR）随电流频率变化，而实际施加的电流并非标准正弦波，会分解为多个频率分量，因此电容器实际承受的 ESR 与仿真设定值存在差异。
其余热电偶的测量偏差，可能是灌封过程中热电偶发生位移所致；且从图 20 的温度梯度分布可知，电容器外缘的热电偶若发生数毫米的位移，测量温度会产生数摄氏度的偏差。
图 20：电容器内部的温度梯度横截面示意图
后续将开展进一步研究，验证上述假设并实现仿真与实测结果的完全匹配。同时需说明，本项目的热仿真结果与博世公司开展的同类研究结论一致 [10]。
3、生命周期评估
随着车企的环保意识不断提升，评估电气产品的环境影响已成为重要需求。生命周期评估（LCA）是一种有效的工具，可对产品从设计、生产到报废的全生命周期环境影响进行分析。
本项目设计的直流母线适用于电动卡车，预估使用寿命为 40000 小时，其中行驶工况占 50%、快充工况占 6%、慢充工况占 44%。
通过对上述 3 种典型工况进行热电仿真，可获取母线排的功率损耗，进而计算其能耗（见图 21 为母线排的电流密度分布云图，电流密度与功率损耗直接相关）。
图 21：母线排电流密度分布云图（与功率损耗直接相关）
结合产品的物料清单（含材料回收利用率，该指标对环境平衡影响显著 [11]）和生产工艺，本项目采用 EcoEvent 专业软件开展生命周期评估，该软件可针对不同指标精准分析产品的环境影响，核心结果（气候变化指标）按产品生命周期各阶段分布见表 2。
表 2 气候变化指标的生命周期评估结果汇总
结果显示，产品的环境影响主要来自使用阶段（占比 96%），该阶段的温室气体排放与功率损耗相关。尽管该部分排放会随电动汽车供电电源的发电方式变化，但仍为产品全生命周期排放的主要来源。
生产、回收等其他阶段的排放占比极小，因此后续研发应重点优化载流产品的设计，最大限度降低其焦耳损耗。
除气候变化指标外，还可通过其他指标分析产品的专项环境影响，例如：淡水生态毒性（PEF-CTUe）、人类致癌毒性（PEF-CTUh-c）。
在人类致癌毒性指标中，产品的环境影响主要来自回收阶段，原因是回收过程中涉及的胶粘剂和油墨可能含有微量致癌物质。
五、结论
本文阐述了 800V 新型逆变器用直流母线的设计方案，该方案针对车企对大功率逆变器（适配电动卡车等大功率电动汽车）日益增长的需求而开发。将层叠式母线排与直接焊接在导电体上的电容芯体相结合，使产品满足该类元件的核心设计要求：
-
额定电压 900V，等效串联电感（ESL）＜13nH； -
总电容 390µF； -
设计方案经优化，便于集成且冷却效率高； -
使用寿命 40000 小时。
仿真与实测结果对比显示，电感的计算值与实测值相关性良好；而热仿真与实测结果对比显示，仿真结果存在过热高估的情况，产品实际性能可能优于仿真预期。后续将进一步优化仿真模型和测试装置，提升二者的匹配度。
本次仿真也为识别更具针对性的设计优化方向（尤其是热管理方面）提供了有效方法，例如通过优化端子设计降低热点区域的电流密度，可减少对高性能冷却系统的依赖。
通过对直流母线核心特性的分析（包括电容器装配方式、紧凑化设计、低电感特性），证实该方案相较目前市场上的同类产品具有显著优势。
作为生态设计的第一步，本项目完成了直流母线的生命周期评估，结果显示其温室气体排放的 96% 来自使用阶段。因此，未来的研发重点将是进一步优化产品设计，最大限度降低其功率损耗（功率损耗会转化为热能）。
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