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汽车电驱动系统技术未来发展趋势及关键技术分析

荷叶塘 来源:电子发烧友网 作者:程文智 2022-10-15 01:30 次阅读
(文/程文智)去年以来,国内电动汽车迎来了爆发式的增长,其核心零部件电驱动系统也受到了业界的关注。虽然电驱动系统的价值量不是电动汽车中最高的,但确非常重要。

一般来说,电驱动系统包含了电机电机控制器、电机驱动器和总成等。目前汽车电机有三个发展方向:异步电机、永磁同步电机,和开关磁阻电机。由于电机主要是由外壳、定子、转子、轴承、端盖等部分组成,其中钉子是硅钢片和铜线,转子是硅钢片嵌的磁钢,所以电机的价格是比较透明的,主要成本就是铝、铜线、硅钢片等原材料成本。也就是说,实现相同的目标功率,如果电机设计更加合理,使用材料更省的话,厂商制造的电机成本就更低,相应的就更有竞争力。

但电机控制器不一样,电机控制器除了有MCU功率模块硬件成本之外,还包含软件在内,因此,其溢价相对来说会更高一些。目前博世、博格华纳、大陆、日本电产等国际供应商有布局,弗迪动力、英博尔、汇川技术、阳光电动力、联合电子、中车时代电气巨一动力等国内供应商也出货。

业内人士预计未来电机电控行业应该会演化成,供应商提供硬件和底层软件,主机厂商自己做应用层、软件及功能方面的开发。因为供应商在原材料方面的议价能力、物流、质量管控和成本控制方面可以做得更好。主机厂商如果装机量没达到一定规模的话,自己开发的意义并不大。

电驱系统的发展趋势

目前电动汽车的整车要求是高安全性、高性能、低电耗、低成本、小尺寸和轻量化。相应地电驱系统也需要配合汽车的发展趋势,因此,未来电驱动系统的发展方向将会是多合一高度集成、高压化、高功率密度、高安全等级、高性价比、低噪音和高效率。

首先,集成化是必然的趋势,将许多零件或者功能件放在一起可以节省空间,而且部分零部件可以公用。不过,目前还没有一个特别优秀的集成方案,大部分的供应商都还摸索前进。未来到底是做三合一、六合一、或者八合一,或者将DCDC、OBC等集成到电池包内等集成方案都是所有供应商都在考虑的事情。

其次是高压化趋势,已经有不少汽车厂商转向了800V平台,800V平台带来的好处是可以大幅缩短充电时间,缓解里程焦虑。同时带来的挑战也不少,由于电压升高,充电速度更快,有些元器件需要重新开发、电池包需要4C以上充电倍率、对电机导线的绝缘漆材料和厚度有更高的要求,同时对绝缘纸(铜线和硅钢片之间的介质)和安全距离也提出了更高的要求。这些要求会带来零部件的升级,从而使得电机成本上升。此外,由于充电功率的升高会带来电流的提升和温度的提高,所以800V电机大部分供应商都会选择使用油冷技术。油冷技术的具有均匀散热特点及更高的散热效率。

三是高功率密度趋势,美国能源部旗下的U.S. DRIVE在2017年就提出了一个电动汽车发展2025年路线图规划。在该规划中,他们给电机和电控的发展定了一个目标,那就是到2025年时,电机控制器的效率不能低于98%;功率密度要达到100kW/L;成本要降到2.7美元/kW。电机的效率不能低于97%;功率密度要达到50kW/L或5.7kW/kg;成本要低于3.3美元/kW。
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表1:U.S. DRIVE发布的电机控制器和电机的目标规划。(数据来源:U.S. DRIVE,电子发烧友制表)

我们可以清楚地看到提升最大的当属功率密度,功率密度有两个数值,一个是相对于体积的,一个是相对于重量的。汽车用的电机更加侧重于功率体积比,因为体积涉及到汽车的有效空间利用和乘客的体验。电机控制器的功率密度从2020年的13.4kW/L提升到了100Kw/L,提升了7.46倍。电机的功率体积比功率密度则提升了8.77倍。

也就是说功率密度将会成为未来电机控制器和电机设计中一个非常重要的指标。为什么功率密度会受到如此重视?因为高功率密度的电机可以让电机本体的体积更小,重量更轻,效率更高。

四是高安全等级,由于电驱动系统集成的功能越来越多,零部件也越来越多,相应的其安全等级的要求也会变得更高。

此外,高性价比、高电磁兼容性和低噪音也是未来电驱系统的发展方向。那么,为了实现这些发展趋势,需要哪些关键技术的支持呢?

电驱系统关键技术分析

要想顺利实现电驱系统的发展目标,需要一些关键技术的支持,比如新构型集成创新、800V电驱技术、电驱系统NVH提升技术、电磁兼容正向设计、先进的热管理技术、新型电机、新型冷却技术、宽禁带半导体等。

首先是新构型集成创新,除了热门的三合一电驱系统,现在还涌现出了多合一,两档双电机等新的构型设计,同时在集成深度上也从早期的物理集成转向了更深层次的电子电气功能集成。不过,目前还没有统一的集成解决方案,各个供应商都在不断摸索前进,相信经过市场的检验最终会探索出更加优秀的解决方案。

二是800V高压平台,该平台可以大幅缩减汽车的充电时间,而且电压平台的提升有助于提升电机/电驱系统比功率。

三是电驱系统NVH提升技术,NVH(NoiseVibrationHarsheness)通常被用来描述汽车噪声、振动及汽车的乘坐舒适性问题。根据相关资料统计,汽车大约有1/3的故障是由汽车NVH问题引起的,而且还会直接影响用户的驾乘感受。因此需要在设计体系、设计手段等方面的全面提升来进一步提升电驱系统的技术水平。


四是电磁兼容正向设计,由于汽车电动化、智能化和网联化的趋势日益明显,给汽车电磁兼容带来了新的挑战,加上电动汽车的产品迭代速度加快,新产品开发周期缩短,传统以整改为主的电磁兼容开发已经无法满足现有需求,电磁兼容正向设计的重要性变得更加重要。

五是先进的热管理技术,传统的热管理技术是基于监测电机、逆变器上的温度,来规划冷却策略,这存在一定的滞后性,不能反映电动汽车剧烈变化的工况对绕组等部件温升的影响,大负载工况下仍存在过温失效的风险,冷却系统需要较大冗余。而通过构建电驱系统关键部件高精度温度预测模型,精益化设计热管理策略,可根据负载工况实时预测温度变化趋势,动态调节系统冷却需求和输出能力,控制合理工作温度,同时降低冷却能耗,有助于整车优化续航里程,提升用户体验。

六是新型电机,要想实现更高的效率和更高的功率密度,一般采用两种方法来实现,一是提高电机的速度,把电机设计成高速电机;二是设计新型电机,比如扁线电机等。而将电机转速提高到18000rpm,甚至20000rpm以上,对电机轴承、冲片强度、动平衡要求会更高。

七是新型冷却技术,由于电驱系统向高功率密度、高转速方向发展,定子绕组和磁钢发热对系统冷却能力提出了更大挑战。传统机壳水冷已经逐渐难以满足需求,开发新型冷却技术势在必行。因此油冷技术浮出水面了。当前热门的油冷技术通过定子喷淋,转子甩油等方式,可以兼顾低速大转矩下的绕组温升,及高速下的大功率下的磁钢温升,可提升电机持续输出能力20%以上;同时还可以与减速器润滑油路集成,实现多合一系统结构紧凑化设计。当然,针对喷淋油冷对定子槽冷却不足和绕组端部冷却不均的问题,可以考虑油水混合冷却,绕组浸没式冷却等方案。

八是宽禁带半导体,由于SiC器件具有低损耗、高频、耐高压、耐高温、高效率等优势,可以提升电驱系统的效率。目前也已经有不少企业推出相关的产品,比如罗姆、ST、英飞凌、Cree等都有推出SiC产品。并且SiC的产品在新能源汽车中的应用案例已经不少。

结语

随着电动汽车的发展,其需要用到的各项技术也在不断发展,目前国内电动汽车供应链很多都是新进入的供应商,他们有些以前是做工业产品,有些是做消费类产品,由于看到了汽车产业改变赛道的发展前景而纷纷进入。也正是由于他们的加入,让电动汽车这个行业有了更多的新鲜血液,产品形态、技术发展有了更大的动力。


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