比亚迪刘海军:下一代电动车电机控制器发展方向及挑战

NE时代新能源

阅读 1827    更新于2022-10-02 15:56:00

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,比亚迪汽车工程研究院电动车研发中心电控系统开发总监刘海军演讲的是《下一代电动车电机控制器发展方向及挑战》,从比亚迪整车角度出发,延伸到电控,分享了比亚迪的产品发展历程,又从多场景应用、智能化、高可靠性阐述了电驱下一代的发展方向以及技术挑战,

以下为现场实录:

在这里和大家分享一下电控相关的技术点和技术发展方向。

第一,电动汽车市场现状。

首先看一下新能源汽车的发展情况。全球和国内的新能源汽车增长非常迅速,特别是去年以来新能源汽车呈现爆发式增长,在全球前十新能源汽车销量占比情况来看,我国占到了57%,比例非常大,预计今年新能源汽车销售会突破一千万台,根据去年的占比,我们可以预期今年新能源乘用车的销量将会突破500万台。

如图所示,对于电控相关配套供应商来说,目前头部企业占据了绝大部分份额。我来自整车厂,对于整车厂来说,动力强、续航长、补电快、高安全、高性价比,一直是整车追求的点,具体到新能源汽车最核心的产品——电控,要求做到高功率、高效率、高压化、高容错和低成本,这些也是过去十多年的发展中不断迭代的总思路。

第二,电机控制器发展历程。

第一代产品,整个行业都差不多,刚起步的时候都是以单独的电控、DC-DC、充电器、配电箱、VCU、电机&减速器为主。这里面的代表车型包括比亚迪、北汽、江淮,大家都是以这个思路在设计第一代的电动车,这种设计有一个优点,设计简单,因为它就是单独的零部件,只要放到相应的位置,用高压线缆做连接就可以了,安装非常方便。但是这代产品也有很多问题,在整车装配中布局于整车的各个位置,有底盘位置、车身等,布局起来更杂乱一些,相应的高压器件需要高压线连接,冷却部分需要有相应的管路连接,造成了额外的成本和装配的费用,成本很高、装配成本高,散热系统需求高,电控有些更接近乘员舱,电控运行的时候有高频噪音。

举一个例子,我们当时在设计EMC有一些问题。各个零部件之间通过高压线连接为主,这些高压线无形中起到了天线的作用,EMC整改的时候非常困难,需要额外的很多吸收电路,再加上整车线束,使整车增加了很多成本。

我们如何做改进?2015年前后针对电驱行业,考虑到把电机、电控、减速器做集成。比亚迪2018年率先推出了集成电机电控和减速器的电驱三合一,最开始在比亚迪的元车型上量产,随后推出了120千瓦和180千瓦的平台,整个三合一得到普及。

除了电驱的三合一以外,我们也设计了相应的充配电三合一,包括PDC配电、OBC充电和DC/DC转换模块。这两个三合一和比亚迪另外一个电池包、大的平板,加上一个域控制器,构成了上一代的产品。目前整个线束成本少很多,没有繁杂的高压线束,只需要直流母线,加上3+3的线束基本上就搞定了,装配工序更少更简单,系统效率提高,系统体积利用率也会更高一些。

3+3电驱有一个问题,之前放在整车支架上或者车身内,属于车身辅件部分的安装位置。到了3+3以后,安装位置和电机、减速器一起放在悬置的位置,给电子器件为主的电控振动冲击带来挑战。我们通过采集大数据,提取整车耐久的工况,针对性地做结构性的优化和设计优化,解决这些问题,这个思路也在后面做多合一的时候得以应用。

针对3+3之后下一代产品,去年8月份比亚迪率先推出了基于多合一的(八合一)总成平台的“海豚”,它在充配电三合一,加上VCU、BMC模块,构成了八合一模块,一方面是物理集成,另一方面软件算法和拓扑上也有相应的集成。海豚目前上市一年多,现在单车销量已经超过两万台,整个市场对于多合一的认可度还是非常高的,预期超表现,并没有出现行业担忧的各种相应集成以后的太多问题。

如图所示,两个3+3的线束可以省掉,布局会更紧凑,取消前舱安装支架,前舱多出来的空间可以做储物箱。另外,整个水道集成会更好。之前是PDU水道,充配电三合一,还有电控、电机水道都要单独做,集成以后可以做成一体化水道。它有一个好处,更有利于整车热能的综合利用。

除了结构上的集成,在拓扑复用方面,我们也做了很多努力,这是针对高电压的产品(超过500V电压的产品),比亚迪之前的车型用的都是单独的升压DC,来实现低于500V的电压泵升到500V以上给整车充电。在多合一里面,我们复用电机电感、电驱的三相桥臂,来实现BOOST电路功能,起到升压的作用。三组桥笔代替原来单独DC-DC的方案,整个固流能力也会更高,也就意味着充电功率能够得到大幅度提升,整个系统集成度更高,成本也更低,省去了大的电感和相应电容和连接线束。

在整车热管理方面,我们把水道集成以后,热管理可以综合利用,以上是我们应用的案例。我们通过对热能的分析和整个系统的综合利用,通过电机的低效加热和主动产热,通过整套的热管路,把热量再利用热泵带出来,这个热量最多可以达到五六千瓦,它可以代替传统的PTC,实现整车电池包和乘员舱的加热。

第三,下一代电机控制器发展方向。

我们认为在前面整车电驱总成进化了三代之后,接下来可能空间已经不大了,但是内部可以做更多的优化。比如,我们会用在更多的场景,更智能化,在所有应用下还要更可靠。

首先是多场景应用方面,我们会把电驱产品用作升压充电、加热,我们在汉车型上,通过VCU、MCU、TCS之间的配合,把底盘的控制集成到多合一里面。原来底盘响应比如在低辅高辅轮胎容易打滑,通过动力域的集成,把百毫秒级别的响应缩短到10毫秒级别,对于整车的姿态控制来说非常有利,整车响应时间相应缩短90%以上,加速时间进一步缩短,安全性也提高很多。

在可靠性方面,今天很多来自于功率模块的厂商,功率模块涉及到多场景应用,电驱加热需要大电流发热,充电也需要相应的大电流充电,有些涉及到长时间高温或者长时间低温的场景,要求整个功率模块做到非常可靠。焊接材料、相应的散热路径都需要做出相应的优化,保证整个电驱产品更加稳定、可靠。

在安全方面,大家提三级扭矩安全提了很多年,现在我们做得也都比较成熟了。接下来的智能化,我们需要把三级扭矩安全做进一步的提升,结合网络安全做整车智能驾驶下的扭矩安全。这就对电驱的控制,不仅仅是单独控制扭矩,需要结合整车的大脑,设计整个安全思路,确保在智能驾驶情况下我们的车还可以安全运行。

对于多场景应用方面,多合一集合了很多模块,假设多个模块每个模块都用一个芯片,这不利于我们发挥多合一的性能。所以我们要控制芯片,做相应的集成,MCU、OBC、DC-DC、VCU、BMC可以共用一个芯片,实现资源共享与利用。相应的驱动部分也有希望做相应的集成,实现更好的功率模块的控制。

在智能化方面,一方面基于故障诊断的,分本地和云端。本地是针对本地的电压、电流、温度信号,可以实时采集它,结合一些内部对故障判断的逻辑做本地化提前的预处理,也会针对相应的数据上传到云端,通过云端做数据分析,迭代计算以后,我们把整个故障做相应的云端机器学习和特征工程分析,在云端可以做到故障的提前预警,帮助客户在故障之前提前意识到这个问题,做相应的维修处理。

在云端的信息方面,还可以通过数据平台机器学习识别真实工况,通过相应的迭代升级,使用户的体验能达到最优。

第四,技术挑战。

挑战更多从功率模块给大家抛出一些问题,比如功率模块针对的相关芯片算力、功率器件的问题、封装材料、温度、寿命、成本方面。

基于PWM计算的话,原来的控制周期大多在百微妙级,相应的芯片控制算力也是基于百微妙级的算力在做。后面假设要做更好的波形控制,实现更好的正弦度,通过谐波注入实现更好的EMC,通过更好的NVH性能,避开20-20kHz的敏感区间,都是需要控制PWM的周期进一步缩短,芯片算力要进一步提高。

对于功率器件要求方面,我们基于电机控制器,它本身对产品的要求要高电压、高载频、低损耗。对于功率模块来讲,要做到高耐压、低导通损耗、低开关损耗。比如我们通过对芯片深入的分析和进一步地芯片设计改进,实现导通电阻的降低,芯片开关损耗的降低更有利于开关载频的提高。

在热方面,因为功率模块应用的场景越来越多,驱动、自动、充电、加热各个场景的应用必然导致热量更加集中,更加突出,这就需要整个模块做更好的散热设计,解决相应的热问题。我们这边提出两点建议,一是希望从整个热的路径来说,路径做得更短一些。二是每一段路径上的热阻做得更低,方便热量更好地导出去,也就更有利于整个大电流的发挥。

对于大功率来说,另一方面就是芯片的耐温。目前碳化硅芯片用到200度以上是没问题的,但是目前没有哪一个模块真正说能用到200度,其中受限的是环氧树脂、焊料、周边的辅料,我们对这些周边辅件也提出了比较高的要求。即使像高温焊料目前能耐三四百的温度,但是我们自己做了很多实验,假设用银烧结,耐温八九百度,这个温度的提升对功率循环寿命提升也是非常显著,会提高3~4倍。从耐温方面,我们希望周边辅料能更进一步,往更耐高温方向发展,有利于芯片的大电流输出。

对于电控做相应的温度监控和在线诊断,更好地利用电控能力来说,传统的方案一方面通过自带的NTC监测芯片温度,另一方面基于NTC和电压电流估算整个模块或者芯片的结温。有些场景做估算会受到不同工况的影响,比如在逆变工况和整流工况的时候,芯片温度和NTC温差不一样。碳化硅面积的话,只有IGBT加二极管的六分之一到八分之一,导致碳化硅集中发热,它到NCT之间的距离又比较远,所以碳化硅相对于IGBT来说会有更大的结温和温差,这是我们重点要解决的问题。这个问题解决了,整个芯片的使用率或者它能用的电压电流会更饱和,也更趋向于系统更好地发挥性能。

寿命评估方面,现在整个车辆会把多合一用在充电、加热、强制动等各种工况,这对功率模块提出非常多的挑战。功率模块自身,随着碳化硅的应用,单个桥臂并联的碳化硅芯片越来越多,这也为失效带来了更大的可能性。相应的封装层出不穷,这些问题带来后期电控和功率器件的验证非常困难,不是以前单独的耐久工况就可以解决的问题。

最后是成本,功率器件的成本在电驱时代占到整个电驱的30%~40%,到了SiC时代,目前碳化硅的价格是IGBT的3倍左右,占电控的成本会占到70%左右,所以功率模块在电控占比中非常高。降成本的话,从IGBT和碳化硅模块角度出发,一方面是大尺寸晶圆利用率高的话,成本能得到降低,目前封装有各种各样的,单面的、双面的,这些封装目前来看都还没有到极限,我们还有更进一步的优化空间。其次是新材料,大家都在做银烧结,但是银很贵,这些也是我们研究的方向,实现整个电驱产品的低成本。

第五,总结。

对于电驱来说,高可靠、多场景应用和智能化是我们对电驱的要求。面对后面的挑战,我们需要解决电控模块的芯片算力、功率器件设计、散热和热的耐受水平和相应的温度评估,做到最优的成本控制,实现后面电控产品更好、更快的发展。

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