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張舟雲:新能源汽車驅動電機和電機控制器技術現狀以及發展趨勢
[來源:互聯網 ] [ 浏覽點擊:8584 ] [ 發布時間:2017-06-26 ] 字體:[ ]

3月30日下午,“新能源客車技術與安全高峰論壇”召開,活動雲集行業專家、公交運營、客車制造以及配套企業在内的客車業内人士,共探行業發展,國家電動汽車電驅動系統産業技術創新戰略聯盟秘書長上海電驅動股份有限公司副總經理張舟雲博士出席了此次論壇,發表了《新能源汽車驅動電機和電機控制器技術現狀以及發展趨勢》的演講。 

  以下為演講實錄:

  大家下午好,很高興有機會在這裡向大家報告新能源汽車驅動電機和電機控制器技術現狀以及發展趨勢。由于電驅動系統除了電機以外還涉及到傳動系統,而傳動系統和不同的技術路線有關,涉及面較寬;我本人專業是以驅動電機和電機控制器為主,因此為了講好這個報告,我适當調整了重點,把原新能源客車電驅動系統的内容聚焦到驅動電機和控制器系統方面。另外,和前面肖主任講動力電池一樣,其實不管是客車電機還是轎車電機,技術是相通的,因此這個報告沒有完全針對客車,而是把各種車型,包括轎車還有一些專用車的應用都含在這裡面。

  報告一共講兩個方面内容,首先介紹一下我們國家新能源汽車驅動電機産業的發展情況。這裡有幾句話做一個概括性的說明:

  第一句話比較明顯,就是說驅動電機作為我們國家新能源汽車關鍵零部件核心之一,它的工程化和産業化的程度對于我們國家新能源汽車産業影響至關重要,包括我們的創新體系的健全,都是一個非常重要的零部件。

  第二,我們國家經過15年的發展,在國内的商用車(包括客車、卡車),還有乘用車、專用車(主要包含物流車)應用方面,當前國内已經完全具備了滿足這些新能源汽車要求的驅動電機和電機控制器的研發和制造能力,而且從産能來講的話,也是完全可以滿足需求,另外我們有一部分企業現在也在向國外做出口。在驅動電機方面,如功率密度、效率這些指标,我們和國外先進水平基本相當。

  第三,對于電機控制器而言,有這樣一個概括,因為我們國内的電力電子技術起步相對較晚,這裡說到的電力電子技術主要指功率器件技術,功率器件技術也不單單指模塊,也包含芯片的研發技術、封裝材料和封裝工藝技術,還涉及到電機控制器的集成技術。因為這些技術的時間差,使得國内電機控制器的功率密度水平和國外量産的産品比較存在有些差距。2014年這種差距是一半,國内控制器是國外同類控制器的兩倍體積;經過這兩年的快速發展,國内電機控制器功率密度比2014年提高了50%,也就是說和國外這個差距縮小了很多,後面也會有詳細的介紹。

  第四,就是講電動汽車電驅動系統産業技術創新戰略聯盟,剛剛主持人講到,我是産業聯盟的秘書長。這個聯盟後面我也會介紹到,這個聯盟其實它的一個宗旨是說拉動我們國内驅動電機和電機控制器上下遊的協同發展,主要是提高我們關鍵材料和關鍵部件的國産化能力。

  首先簡單做個對比,看看客車電機和轎車電機的主要差異?當然我們現在有很多轎車電機也用在客車上,但是客車電機用在轎車上的比較少,這個差異主要體現在那兒呢?第一看轉速,轉速主要和傳統動力總成相關,客車發動機作為動力源最高轉速不超過3000轉,所以客車驅動電機包括插電式、純電動,一般來說都在3000~3500rpm;可能有一小部分物流車或者公務用車電機轉速到4000rpm,基本在這個範圍。圖示有兩個電機,這兩台電機功率一樣大,但是大小和重量完全不一樣。對轎車電機而言,因為動力傳動方式的差異,要麼加減速,要麼加變速,可以成倍地降低電機的轉矩需求,對應的體積和重量就會降低,當然轉速會升高。



第二個對電機來講的話,一般說這個電機多少千瓦,但實際上電機的體積和重量取決于扭矩,電機的轉矩和體積是成正比。因為客車電機轉速低,轉矩大,所以重量比較高,對應的成本就比較高。

  第三,因為客車電機功率需求比較大,所以電壓要求一般來說都比較高,特别是對于直驅電機,直流電壓500~600V的需求比較普遍,當然也有插電式客車電機電壓在300~400V這個等級。轎車電機直流電壓普遍在300~400V之間。

  第四,最近幾年我們可以發現在客車應用方面,各種不同應用的控制器,逐步要做集成,這種集成化的要求越來越多;但轎車電機控制器由于布置空間問題,定制化較多。還有就是從轎車用的電機控制器來講的話,我們其實可以發現裡面空間問題,所以它的标準化控制器一般來說比較少,除非它做的非常小,就是什麼樣的車都可以用,如果做不到這點的話要求做定制化,還有集成化,集成化後面也會有介紹,它的集成化就是說不單單說把不同的電力電子的控制器的系統還涉及到控制器内部的結構集成。

  第五,客車運用裡程相對轎車長很多,基本上在4到6倍,包括壽命要求也相應提升。

  第六,從産品開發周期來說,客車市場要求的開發驗證的周期往往比較短;而作為轎車電機控制器,它的開發驗證的周期往往比較長。

  講到我國國家的電機水平,我這裡給一張圖,這些數據應該都是近幾年數據,有我們國内的水平,也有市場上看到的國外同類産品的水平。這些電機共同特征都是轉速比較高,功率也盡量找相近的,包括電壓和冷卻方式。從國内外驅動電機的指标來看,一般講轉矩密度和功率密度的話,其實不管是對應電機有效重量還是總重量,都是在相當的水平。我們國家實際上為了推動驅動電機産業的發展,對電機的功率密度也提出了要求,到2020年是4kWlkg,這是産品級。當前可能部分企業的個别産品可以做到這樣一個水平,但整體上我們現在産品級在3.2~3.3kW/kg;到2020年,我覺得4kW/kg完全有可能達到。我們還提到轉矩密度,轉矩密度對于高速電機來說要做到比較高一般來說比較難,所以轉矩密度相對與客車電機會低一些,但是如果我們和國外同類電機比的話,應該也是屬于相當的水平。

  從電機控制器來說,也是功率密度。當然功率密度是一個外在指标的體現,實際上和裡面用的功率模塊和功率模塊的封裝形式都密切關聯,所以我們看到對應國外的封裝式電機控制器,我們現在産品級的功率密度還有些差距。我剛剛也講過,對比我們兩三年前的水平,我們自身的進步也非常大。

  這裡我列舉了一些現在市場上已經批量應用的一些電機和控制器的産品,這裡包括轎車和客車的應用,總體來看我們國内的驅動電機和控制器的進步是非常快的,正如前面第一個報告王主任講的一樣,我們國家客車不管整車水平還是零部件的水平,應該說在國際上都是處于領先水平。



右邊舉了幾個例子,從2016年到現在,我們在車用的材料和器件方面已經有了哪些産品。比如像我們電機裡面矽鋼的材料,前幾年主要是用日本的矽鋼材料,經過我們國内像寶鋼、武鋼(現在合并成寶武集團)的研發和實驗,現在國内驅動電機大部分都用國内的矽鋼。

  還有功率模塊,我們講功率電子一直是制約我們國内電機控制器發展的瓶頸。經過我們和半導體廠商合作,一起來對标和研發汽車級功率器件。現在國内已經有兩到三家半導體封裝企業做出可批量應用的器件。這個好處是什麼呢?它可以大幅度降低我們功率器件的采購成本,而且在國際競争上說,因為我們國内有自主産品的能力,我們的議價能力提升了。除了功率器件,也包括電容器、位置傳感器、線束等,這是都是我們聯盟的一些成果。

  這裡也提到我們國家對驅動電機産業的支持,這裡面我提兩個:一是中國制造2025,中國制造2025前面肖主任提到7+1,驅動電機是在新能源汽車、節能汽車、汽車制造三個領域都是作為很重要的組成部分。

  二是國家“十三五”重點研發計劃,去年已經啟動了一批項目,今年正在啟動第二批項目,涉及驅動電機和電力電子一共有六個項目,對應驅動電機、電力電子、電驅動總成等;還有電機控制器,包括碳化矽器件的基礎理論和碳化矽電機控制器。十三五驅動電機發展目标是繼續保持實現,電機控制器是實現功率倍增。我們如果能夠做到功率倍增,就可以做到國外同步。當然國外也在發展,但從這兩年來看,我們的發展速度會加快。對于電機控制器的功率密度,這裡給出了從2014年的水平和2020年要達到的水平,還有2025年可能會達到的水平,當然2025年32-36kW/L是基于碳化矽器件。對于矽基材料,由于本征溫度的限制,有分析說它能夠達到的最大功率密度極限在19~20kW/L。也就是說,如果要達到32kW/L,必須提高它的頻率範圍和工作溫度,碳化矽可能是一個非常好的載體。

  對于驅動電機而言,十三五重點研發計劃也有明确的目标。乘用車電機功率密度是4kW/kg,商用車電機轉矩密度做到20Nm/kg。當前轉矩密度水平是多少,和電機結構有關。如插電式客車電機,可能在16-17Nm/kg,如果是直驅電機轉矩密度會稍微高一點,也就是說達到20Nm/kg通過材料利用率的提升,是非常有可能達成的。要達成這個指标需要比較多的技術途徑來實現,後面也有介紹。

  第二部分介紹驅動電機技術和産業發展情況。首先做一個不同類型電機的性能對比,為什麼說這個事情?我經常被人問到,說感應電機和永磁電機哪個好,以後發展方向到底是什麼?用這張圖來說明,各種電機本身是有優點和缺點,我們需要了解它們各自的特點,放在适合的應用領域裡面。通常所說,直流電機現在都不用了,交流電機主要有感應電機(異步電機)、開關磁阻電機和永磁電機,永磁電機又分為幾種。從汽車應用角度來說主要關注電機的效率、調速範圍、功率密度和控制性能等特征。如果說到調速範圍,交流異步電機和永磁同步電機具有同類的調速的性能;如果說到恒功率範圍,由于交流異步電機自身的特性,它的恒功率區一定會比永磁同步電機低一些。


  從高效率區來講,表現出來的結果是永磁同步電機高效率區更寬,這也和電機的本身原理是有關系。像交流異步電機轉子一定要勵磁,就會損失一部分的能量,永磁電機因為轉子永磁體本身可以産生磁場,使得效率占優。對于開關磁阻電機來說,轉子上沒有永磁體,也不需要感應,完全靠磁阻的變化,所以效率比永磁電機來說更低一些。

  從電機本體的控制性能看,交流異步電機和永磁同步電機基本上是相當的。當然現在也有一小部分在低成本的電動車上可能用到無刷直流電機,無刷直流電機由于自身特點,在調速性、功率密度和效率方面,與永磁同步電機差距還是存在的。

  從電機本體技術看,分了這樣幾個方面:首先是電機設計技術。因為汽車應用不光是要考慮功率、轉矩、效率,還要考慮發熱、振動以及和電機控制的匹配,在這些約束下進行電機設計的時候就不單單是電磁設計,要考慮多個領域。我們提出的多領域集成、多層面優化和多端口匹配設計,多領域集成就是考慮機、電、熱、磁等不同領域,多層面優化是從概念設計、場路耦合仿真到系統集成仿真的不同角度進行評估,多端口匹配是指機械端口、電端口以及熱端口的匹配。



從電機設計說,設計的目标是不斷地降低電機的體積和重量,不斷地提高電機的轉矩品質。要做到這一點,需要在電機的磁路設計時,重點加強轉子形狀的設計以及磁阻轉矩的利用率。電機轉矩分為兩部分組:一部分永磁轉矩通過永磁體得到的,另外一部分是磁阻轉矩,是通過設計得到的。磁阻轉矩是在永磁體相對固定的前提下,通過設計可以得到更大的轉矩輸出。同時,要讓整個電機在運行區域裡面比較安靜,振動噪聲要求很高,這也是近幾年整車企業對驅動電機企業提出了一個很重要的指标;電機的熱性能和制造工藝非常關聯,要把這個電機做小做輕,功率和轉矩保持不變,最主要的途徑就是改善它的熱性能,包括了生熱、導熱和散熱三個過程的設計。

  生熱指的就是降低電機損耗,包括銅耗、鐵耗。降低銅耗需要在繞組結構形式有創新,包括這裡看到的高密度繞組技術和扁導線技術。導熱的關鍵在于材料以及槽狀設計,如何大幅度提高導熱面積又不影響磁路性能,也是設計的重點。散熱主要是冷卻水道的形狀和包括油冷在内的冷卻方式。但是,油冷技術涉及到關鍵技術非常多,包括絕緣材料、繞組漆膜、綁紮繩等都要驗證是否能夠和油品兼容等等。

  再進一步就涉及到電機材料技術,材料技術裡面現在研究就是有什麼發現呢?首先同樣的矽鋼材料,不同的沖材工藝表現出不同的特征,特别是鐵耗差異非常大。其次,矽鋼的機械性能就是我們通常講的強度,是随着溫度發生變化的,通常做強度校核時沒有特别關注這一點。但是最近的研究表明,在高溫和常溫的情況下矽鋼片的屈服強度降低30%左右。

  在電機控制器方面,主要是集成,特别是系統級集成,把半導體晶圓和控制器内部結構做集成,這也是我們當前和國外差距比較大的地方,也是追趕的重點。還有從碳化矽的應用,目前國内加大了投入,在碳化矽的應用方面有可能和國外基本上同步。另外是電機控制技術,控制技術裡面現在大家關注的是什麼?第一電壓利用率的提升,同樣電池電壓下怎麼樣控制電機輸出最大的能力;第二是轉矩補償,涉及到整車舒适型,即NHV性能;還有就是故障診斷,怎麼樣保證車輛的安全。

  對于電機控制軟件而言,特别是乘用車應用,對ISO26262功能安全以及AutoSAR軟件架構要求越來越突出。另外就是電磁兼容性能,電磁兼容是近兩年來,不管是客車還是轎車的整車和零部件公告強制的項目。如何提高零部件電磁兼容性也是我們需要非常關注。還有就是系統匹配,電機的設計不僅僅是說電機本身要設計出寬效率區,進一步要求電機的高效區是整車常用的區域,因此需要對系統做全局的優化,這也是我們從研究角度的一個非常重要的方向。

  在電驅動系統的總成方面,不同的動力系統構型包括商用車電機變速箱總成、雙電機總成等,當前乘用車動力總成系統也在探索是否可以在客車裡面做應用。還有輪毂電機,輪毂電機我個人觀點這是一個非常好的分布式驅動形式,但是要把輪毂電機做成産品還是需要花非常多的時間。


  最後小節一下驅動電機技術發展方向:一是集成化,包括機電耦合集成、電力電子控制器集成;二是高效率化,不管通過什麼技術途徑,我們永遠追求高效率和低成本;三是數字化和智能化,這和電機控制器的發展關聯度最高。