通用汽车段诚武博士:下一代电驱动系统技术

NE时代新能源

阅读 1953    更新于2022-09-30 13:49:00

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21日的主论坛上,通用汽车研发中心动力系统技术总监段诚武博士分享了下一代电驱动系统技术,对三电系统做了技术趋势的剖析,提到现在较为关注的主流技术点,包括电池的高功率密度、电机的高速化、电控的高功率密度、减速器的减速比。

以下为现场实录:

大家下午好!先自我介绍一下,我是段诚武,来自于通用汽车中国研发中心。我和我的团队主要负责三电系统的研发。

上午跟大家一起向各位专家领导学习到了很多,下午很高兴有这个机会给大家分享一下通用对于电驱系统的一些想法。

我每次都喜欢以这句话开始我的演讲——“all AVs will be EVs”,所有自动驾驶汽车都将会是电动汽车。我个人觉得这句话非常有道理,在现在的汽车产业里面,真正有两大热点,第一个是自动驾驶汽车,另外一个是电动汽车,而所有的自动驾驶汽车都将是电动汽车。这里面有几个逻辑,第一是更清洁的环境,在自动驾驶时代,2030,2040年全部是自动驾驶的时候,对于电动车来讲,因为是零排放的车,对环境肯定会更加友好。其次,在未来自动驾驶时代,自动驾驶汽车跟内燃机汽车很不一样,它有很多传感器、雷达,它需要很强的计算功能,涉及到GPU。内燃机汽车很难提供稳定的电力供应,而现在的电动汽车都是400V/800V平台,对于未来自动驾驶汽车是非常稳定的动力源。最后,电车系统的高速响应。自动驾驶分三大块,一块是感知,然后是决策,最后是执行。在自动驾驶时代,汽车的低延时响应对于快速执行决策非常重要。在内燃机时代,发动机一般响应时间在100~200毫秒,但是电机执行响应的速度要快很多,这对自动驾驶非常有帮助。总的来说,自动驾驶和电气化不是两个独立系统,它们是相辅相成,相得益彰的。

那么我们通用是如何理解电驱动系统的?在座各位都是行家,电驱动系统主要就是三电,电池、电机、电控,加一个减速箱。三电之间是电气连接,电机与减速箱是机械连接,如图所示是通用对电驱系统的定义,也是我们部门具体负责的一些前沿技术的方向。

第一,电池。

一会儿会谈到降成本的问题,到2030年电池仍然是最贵的东西。如图所示,尽管业内都认为电池成本会持续下降,但即使在2030年,电池成本还是占到汽车直接成本的20%左右。

关于电池非常热门的话题是,到底用怎样的化学体系。如图所示这是行业比较流行的四大类体系,各有优劣。从OEM角度讲,一般会从6个维度评价电池的性能:安全、能量密度、功率密度、生命周期、成本、能否支持快充。如图所示,每个电池都有自己的长处和短处,例如国内比较流行的三元电池NMC和磷酸铁锂电池,三元电池能量密度很高,磷酸铁锂密度差一点,但是它的安全性比三元电池高一点。

电池技术很大一块是要提升电池包的能量密度,我们关注两点:第一是每公斤多少瓦时,第二是每一升多少瓦时。不管是对于柱状电池如特斯拉的4680,还是方形电池或者软包电池,随着时代的发展,不管是体积密度还是重量密度,我们都有很大的提高。现在的问题是它的天花板在哪里,最终会不会顶到天花板上,这是很现实的问题。

电驱动系统方面,现在我们比较关注几个热点,从系统角度,我们最关心的是集成化。上午各位专家讲到怎么做集成的,我们最早是三个系统单独分开的,二合一的时候能够把电机和减速箱结合在一起;三合一能够把高压电缆去掉,现在行业里面有八合一、五合一都有出来,做它的目的是能够让电驱动系统结构变得紧凑,轻量化,NVH更好。结合在一起以后,系统刚性会更大。但是每个进步都有它的挑战,不是一蹴而就的。

第二,高压平台。

大家都知道,中国和日本在搞的超级充电,目标是1500伏平台,远高于800伏平台。第一个驱动力是要快充,因为电动车三大焦虑第一就是充电,第二就是安全,第三就是电池的成本太高。充电无非考虑电压和电流,电流增加,电缆发热会很厉害,提高充电功率只能增加电压,把电压升上去,能够把电缆做得更细,比如360千瓦和540千瓦充电的时候,大家的卖点是一个很优雅的女士也能够把充电枪拿起来。这些东西都是物理层面的,但是真正来讲电池的性能受限于化学反应。对于电机系统来讲,要想能够把电机功率更进一步提高,如果把现在400伏的电机用800伏系统驱动的话,绝缘没问题的情况下,电机功率可以翻倍。理论上来讲,电压越高,基速更高,电动车的起步性能更好。电动车很大的卖点是起步比内燃机快很多,内燃汽车里只有超跑级别的车能做到百公里3秒,但比亚迪汉这种20几万的车百公里加速度接近4秒左右,这是电动车很大的优势,未来随着竞争的加剧,大家是不是都要做百公里3秒、4秒,这时候电机怎么设计、如何保证在起步的时候提供足够大的扭矩是比较关键的问题。

第三,逆变器。

(一)功率密度。2005年到现在,最早的时候是控制器都是很大的,现在都做的很小了。不管是中国也好,还是美国政府也好,都对控制器的功率密度都有要求,中国2025年目标是每升40千瓦,美国更加激进,它要做到每升100千瓦。根据行业内标准,现在最厉害的特斯拉model Y在2022年的水平是不到60,现在到2025年也只有短短两三年时间,还是需要很大的提高。

(二)宽禁带半导体。这里面有很多挑战,碳化硅本身比硅基IGBT贵很多,接近3倍,最乐观的估计至少贵1倍。碳化硅上来了以后,电机的绝缘是很大的挑战。黄教授是我多年的朋友,他专门做绝缘这块,做了很多研究,我们不仅在做这个研究,我们也做了一些实验,好的电机放到常规IGBT驱动下没有任何问题,拿到实验室拿碳化硅一测,当时就不行了,所以这是很严重的问题。

第四,电机。

电机相对来讲比较成熟,已经做了近百年了,在通用内部谈到电机就觉得它是一个相对成熟的产品。第一方面要高速化,电机很简单,扭矩和体积成正比,扭矩越大,体积越大。但是要提高功率密度的话,唯一办法就是把速度提上去。为什么把电机设计得更小?第一轻量化,第二对于电动车来讲,整车的集成比内燃汽车更加具有挑战,因为市场竞争比内燃机的竞争更大,所以电机一定要做小。电机里面成本最高的是永磁铁,这是重稀土的。没有重稀土是很难的,只能说减少重稀土的使用。用到重稀土磁铁的话,一方面成本很贵,第二对于欧美这些企业,包括通用这种美国企业来讲,我们最担心的是供应链中断,对中国来说还好一点,但整个系统的供应链里永磁体是很重要的。

如图所示,功率做得越来越大,电机转速也越来越高。像model3接近一万九千转了,说到高速化,我们有一些经验。高速化做起来也很难,并不是那么简单,现在我们看很多做电机的同事,他们会说这个电机做到两万转,两万五千转,甚至三万转,但是真的做起来不是很简单,这里面挑战很大。

其次是电机的高性能,电机是一个上百年的产品,大家都认为比较成熟了,但是从电动车角度讲,我们最早对电机的性能要求很低,现在电机的效率都是97%、98%,要做到98.5%,挑战越来越大。从扭矩密度和功率密度来讲,也是要做得越来越高,因为电动车的市场竞争越来越大,对于OEM来讲,真的要赢得这个市场的话,一定要做出比别人更好的东西。对通用来讲,现在我们看下一代产品的时候,现有的电机设计的思路要想达到2030年的要求很有挑战,我们要想办法融入一些全新的设计。

第五,齿轮箱。

以前做内燃机的时候都做4档、6档、9档、10档的变速箱,在电气化时代,特斯拉出来以后1档就能解决问题,好像齿轮箱变得简单了,其实齿轮箱也面临新的挑战。第一就是高转速,电机转速越来越高,但是齿轮箱的输入接在电机上,电机两万转,齿轮箱两万转。但是输出速度,也就是最高车速没有太大变化。而输入速度变化很大,这意味着齿轮箱需要高转速比,内燃机时代做到10左右的传动比差不多,但是现在电机时代差不多要20左右,这样齿轮箱是不是要变得更大?而且对每一级减速齿轮来讲,都有1~2个点的效率损耗,这也是一个问题。

另外是高速化,齿轮本身的效率会严重下降。我们做实验的时候,比如两万转、两万五千转对齿轮箱的损耗非常大,有可能导致电机电控方面的工作都是完全白费的。比如电机费了很大劲把效率从98%提高到98.5%,逆变器从IGBT换成碳化硅,提高1个点,但是有可能在你的减速箱失掉2个点,这意味着前面所有的工作都白费了。对于齿轮箱来讲,怎么在高速大减速比的情况下,能够保持齿轮箱的高效,而且还有润滑问题,因为高速以后润滑很难,高速以后振动噪声也很明显。我们最早做8000多转,那时候不需要任何噪声措施,但是后来做到一万六、七转的时候,我们就需要一定的噪声控制措施。

对于OEM来讲,我们要从系统角度看待这个问题,不能只从电机或者逆变器、减速箱的角度来看,最终要把系统集成在一起,加上电池,因为电池成本是最重要的因素,这样才有可能设计出既高效,又能够满足客户需求的电驱动系统。

总结一下,我们做所有开发的时候,我们是把客户放在中心的,而不仅是从整车厂自己的角度出发,用户需要什么,我们就开发什么。第一是提高行驶里程和性能,开发高能量密度的电池,不仅是更好的化学体系,需要提高体积密度和重量密度。我们需要一些新的材料,比如碳化硅、氮化镓这种材料,帮助我们提高系统的效率和提高里程、性能。第二是集成化,不仅是降成本,而且能够提性能。第三是功率密度要做得更大,想办法把功率密度做上去,把电机的性能做得更好,也能够降成本。

降成本方面,想方设法把电池成本降下来。对于主机厂来讲,有时候大家觉得很简单,只要量上去成本自然下来了,但仔细想想不是那么简单,电池成本、原材料成本占很大一块,靠规模经济很难把成本降下来,三元电池有锂、镍、钴等等,所以成本不是那么简单,需要新设计、新思路来降低成本。对于电机来讲,想方设法把永磁材料、重稀土的用量降下来,把电机的成本降下来。电机无非三个材料,一个是磁铁、铜线、硅钢片,铜线能做的并不是那么多,磁铁是最贵的,硅钢片也是很贵的东西,但是相对磁铁没那么严重,硅钢不存在供应链的问题,磁铁不一样,它是很特殊的产品。

最后是快充。电动车一个是电池成本,一个是里程焦虑,其次是充电速度。这三个东西不是独立的,只要能解决里面某一个问题,往往的另外两个问题就缓解了。如果能把电池成本降下来,装一个非常大的电池包就不存在里程焦虑,可以一个月充一次。反过来如果把快充解决,假设一分钟就能充满的话,就不存在电池成本的问题,可以装很小的电池包,如果很快能充满,也不存在里程焦虑的问题。这三个焦虑不是独立的,它们是相辅相成的,只要解决掉一个,就有可能把电池后面的路全部打通。现在来看,对快充来讲,高压充电好像都是大家在做的事情,也是通用在做的事情,问题是到底要做多高压?大家觉得400V已经普及了,800V现在没有什么争论,至少高性能款要做到800V,但大家也在想800V以后做什么,做1000V还是1200V,这是一个竞争的时代,随着市场竞争东西都是越做越好,反过来讲,你的边际效应可能也越来越小,但是得做。对于主机厂来讲,不仅做的是技术,我们做的是产品,最终这个产品要让用户买单。

“everybody in EV”,公司说了未来的方向一门心思干EV,希望大家跟我们一起拥抱电气化时代,谢谢大家!

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