华域电动宋志环:800V高效辅驱电机设计

NE时代新能源/NE时代

阅读 1666    更新于2022-09-30 13:31:00

2022年9月21-22日,由NE时代主办,巨力自动化总冠名,巨一动力、中车时代电气、华域电动、上海电驱动战略合作,华为数字能源、智新科技生态合作的“2022(第二届)全球xEV驱动系统技术暨产业大会”在上海嘉定圆满召开。

在22日的分论坛上,华域汽车电动系统有限公司技术中心总工程师宋志环分享的是800V高效辅驱电机设计。整车是一个系统的工程,整车功率越来越大,四驱车型越来越多,这样的情况下除了主驱其实还有一个比较重要的驱动单元,辅驱电机。华域电动直观地展示了主驱电机和辅驱电机的区别,也介绍了辅驱电机的设计核心要素,系统呈现了一些先进的技术储备。

以下为现场实录:

大家下午好!今天分享的内容分为四个部分。

首先是华域电动简单的介绍。

我们公司隶属于华域汽车,成立于2011年,专门从事新能源驱动电机和控制器的研发制造,现在公司拥有两个生产基地,分别在浦东和宝山。浦东基地主要是小批量多样柔性生产,宝山基地,已经拥有多条全自动化生产线,年产能规模达到百万级。目前,公司主要客户包括:大众、通用、上汽、飞凡、智己、哪吒、大通、沃尔沃等国内外知名车企。

第二部分,跟大家分享驱动电机的技术发展趋势。

驱动电机的指标本身都是承接上一层的技术需求,早期驱动电机都是整机结构,因此技术指标直接跟整车相交互,但现在,由于多合一的出现,电机的层级又往下降了一个级别。但不管怎么说,从做新能源汽车到现在,对驱动电机的需求基本还是围绕着四点:高效率、高功率密度、低成本和低噪声。

如何实现这些需求?还是要通过材料、工艺和技术的更新。对于新材料,为了降低电机的损耗是不是要用更薄或损耗更低的硅钢材料?对于新工艺,为了降低电机的NVH和铁耗,铁芯采用粘接的工艺形式。对于新技术,传统电机,尤其工业电机,大多采用圆铜线绕组,但在新能源汽车上,尤其近四五年,基本都是在围绕着扁铜线技术在研发,这个技术现在已经普遍应用到驱动电机上了。为什么扁铜线技术会应用在驱动电机上?影响电机的因素有很多,如磁钢,铁芯或绕组,为什么只有扁铜线被大家认可?究其原因也是围绕着效率和功率密度。由于电池技术还有一些技术难点需要攻克,因此需要电机的效率进一步提升,弥补电池方面的不足。而如何做到高效率,业界把电机不同参数对效率的影响做了一个汇总,发觉还是绕组部分对效率的贡献度是最高的。所以扁线电机一提出,就被大家所认可。

华域电动在扁铜线电机研发的里程碑是从2014年开始的,这一年我们正式开始扁铜线电机的研发;2017年华域电动的四层扁线电机正式量产,这也是国内最早实现量产的扁线驱动电机;2019-2020年油冷扁线电机和八层扁线电机分别问世,获得了良好的市场反馈;目前,华域电动的第四代高性能8层扁线平台系列已经推出,可以满足新能源汽车和节能汽车多样化的动力总成的需求。

当然,扁铜线在制造过程中也有其特点,如产线投入大,柔性化比较差等。为此,华域电动推进平台化的设计思路,目前我们公司一共有SD、MD和HD三个扁铜线电机平台,对于每个平台,可以覆盖到永磁和异步电机的无缝切换。包括高压、低压,比如现在正在做的800V的高压,都可以在同样的一条产线上实现量产。还有水冷和油冷,高速和低速,因为后续转速也有一个逐步提升的趋势。我们用平台化解决产线投入大和柔性化差的不足。

第三部分,驱动电机关键技术分析。

上午和昨天很多专家都提到过,目前新能源汽车驱动电机主要的几个发展方向,那就是高压、油冷以及高转速三个方向。

首先高压,高电压的提出并不是驱动电机本身的一个技术需求,而是为了满足整车的快速充电,但高电压的应用为驱动电机绝缘系统带来了比较大的挑战。

油冷技术目的是解决高功率密度问题。可以提升持续工况电机的持续功率,与水冷系统相比可以提升20-30%。

高转速技术。早期驱动电机的转速都在10000rpm以下,逐渐发展到15000rpm,华域电动的驱动电机最高转速为18000rpm,正在研发最高转速超过20000rpm的驱动电机。高转速可以进一步提升电机的功率密度,当然也会带来动力系统的其他问题。

下面,将针对刚才提到的三个方面把和大家分享一下我们的一些想法:

(1)800V绝缘系统。

目前,国内多个汽车品牌推出800V高压新能源汽车,高压化成为了大家的共识。电压的提升给电机带来了绝缘系统电、热、机械、环境的影响。早期,我们做新能源汽车,比如400V,对绝缘结构系统的研究较少,原因很简单,原有绝缘系统冗余度较高,可以满足整车的需求,但把电压提升将近2倍以后,绝缘系统的设计将发生比较大的变化。

对于绝缘系统的研究从以下几个方面开展:首先是材料级别的研究和选型。第二是电枢级别的验证。800V的绝缘系统到底做成一型绝缘还是二型绝缘?目前大家思路可能也不一样,个人认为,一型或二型绝缘系统在800V的应用理论上都是可行的,但还要考虑一点,未来的电压等级可能还会进一步提升,现在说的是800V,其实真正的使用电压在750V左右,但未来是不是提升到1000V?那个时候是不是还能做一型绝缘?我觉得要打个问号。所以两种绝缘系统,我更倾向于做成二型绝缘系统。

我们的研究分为三步,首先是材料级研究,如:电磁线的材料级验证,仅仅一个材料级的验证可能就要包含很多内容,包括耐油、耐高温等。

其次是电枢级别的验证。从第一轮筛选出优异的绝缘材料,然后应用到我们认为比较可行的绝缘系统里,对绝缘系统再进行老化以后的验证,可以看出不同老化阶段的衰减水平,从中选出最适合的绝缘系统。

最后就是DVPV试验,目前,华域电动的HD平台高压产品即将完成试验验证,明年实现量产。

(2)油冷技术。

对驱动电机来说,冷却形式包括风冷、水冷、油冷。风冷一般应用在比较小的功率等级上。水冷目前应用得最多,但近几年随着功率等级和功率密度的提升,油冷系统的应用也越来越多。

这是油冷和水冷系统的对比。水冷电机的好处就是结构和设计简单,但缺点是冷却效果不如油冷。毕竟油冷是直接冷却形式,直接把油喷淋到发热部件上,这样散热效率最高。水冷因为需要一级级的热传导,并且加工和制造的误差都会导致热阻的增大。所以油冷系统现在已经被大家所认可。

市面上主流的冷却形式一般为:在定子上增加一些油管或冷却油路,这样可以直接喷淋铁芯、端部,好处是结构相对比较简单,但缺点是要外加一些部件,会受到加工精度和装配工艺的影响,但最近比较多的是直接把油路和铁芯做到一体,如特斯拉的油路结构,为直瀑式冷却结构,冷却效果更好,缺点就是设计比较复杂,而且铁芯加工制造也会有一定的难度。转子就比较简单,一种是在轴里直接通油,结构简单。第二种是在轴上开油路,冷却转子铁芯,再从其他部位将油甩出来,好处是既冷却了转子还可以进一步冷却电枢端部的内侧。

刚才说的都是好处。但其实油冷也带来一些问题。一是开发设计难度大,喷油嘴的高度、角度、位置和形状,都会对冷却效果都有比较大的影响,为仿真分析带来较大的难度。第二是兼容性,ATF油与电机绝缘材料直接接触,两者的兼容性必须要考虑。第三是清洁度问题。若是水冷电机,清洁度稍微控制得不足影响还可接受,毕竟是在电机本身的腔体内,但如果做成油冷,因为是共用整个油路,电机内的很多颗粒,包括非金属和金属颗粒,最终可能都会进入油路中,这样影响还是比较大的。如果是非金属颗粒,有可能影响到油路的畅通,比如堵塞油路;金属颗粒因为会随着油喷到电机裸露的部件上,可能会引起绝缘上的一些问题。

(3)高速化。

汇总了近一年市面上的新研发的驱动电机的转速需求,可以看出对转速是呈现一个逐渐增高的趋势。15000rpm应该是目前量产驱动电机比较常见的能力,但新研发的驱动电机最高转速将超过18000rpm,甚至很多都要超过20000rpm。由于转速的进一步提升,已经接近硅钢本身材料的强度极限,当然也可以增加磁桥的厚度,但会带来磁钢漏磁的增加,成本上不划算。之前特斯拉推出了一款用碳纤维的形式进行转子强度加固的产品。碳纤维的好处很多,比如强度高、重量轻,高速下不产生涡流。其实这种技术并不是最近才出现,在很多高速电机中已经有应用的案例。应用到驱动电机中主要还是要解决量产性的问题。目前,国内还没有一个比较完善的生产设备供应商。如果真的要推广碳纤维的技术,后面制造上可能是一个比较大的问题。当然,这个技术到底用不用,跟动力系统的转速是否能够在大幅提升关系密切,因为转速提升以后,对减速器的噪声、加工精度以及高速轴承都提出了挑战。

第四部分,辅驱电机的技术应用。

讲到主驱电机,对应的,就一定还有一个辅驱。为什么要用两个电机?做一个对比。如果只有一个电机,对于整车来说,这个电机既要有高扭矩又要有高转速,平时大部分时间在低负荷下运行。这样就是一个“大马拉小车”的过程,很多工况其实不需要这么大的扭矩、功率,但只有这么一台电机,那就只能用它满足需求。这个时候电机的性能无法在最优条件下运行。如果用两台电机配合使用,比如负荷不高的时候只有一台工作,需要大扭矩或高速的时候,两台电机共同工作,这个时候整车的运行可以达到一个相对最优。

主驱电机和辅驱电机虽然都是驱动的,但关注点还是有差异。首先,正常情况下,因为辅驱电机不是时时都在工作,所以对持续功率、效率,关注度没有那么高,当然不是说不关注,而是关注度相对低一点,但反而对尺寸和成本的关注可能更高。

这里是市面上可以见到的双电机匹配应用。

第一种,两个异步电机,早期特斯拉用的就是这种匹配。异步电机跟永磁电机比起来成本偏低,但效率不如永磁电机。

第二种是两台都为永磁电机,好处是效率可以做高,但做得高也有一个前提条件,当辅驱电机不工作时,需要增加一个离合器,减少该电机在不工作时产生的附加损耗,影响整车效率,缺点是要增加额外成本。

第三种是主驱用永磁电机,辅驱用异步机。这种形式目前用得比较多,比如大众MEB平台或者通用的BEV3平台都是这种配合。主驱用永磁,辅驱用异步,其好处是比较均衡,效率和成本达到一个比较合适的匹配,因此目前市面上用的相对比较多的。

对异步电机从转子导条来分,可以分为铜转子和铝转子两种。特斯拉电机采用的就是铜转子结构,好处是铜的导电性好,电阻更低,这样效率更高,当然成本肯定比铝高。异步机作为辅驱电机使用,适当的降低一些效率,把成本降下来也是一个比较好的选择。现在应用比较多的还是铸铝转子,该电机工艺成熟、成本低,缺点就是效率不如铜转子高。

近些年也在研究在铸铝转子的纯铝材料里添加其他元素,用来提升铸铝转子的电导率和强度,从而提升电机的效率以及运行转速。总的来说,铸铝转子方面还有很多研究工作可以开展。

华域电动目前获得了三家国际主机厂的辅驱电机业务,其中包括已经问世的大众ID系列辅驱电机,采用的是铸铝转子,冷却形式为油水冷却,可靠性高、成本低。谢谢!

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