上海电驱动应红亮:超高效智能电驱动系统

NE时代新能源

阅读 1991    更新于2022-10-03 20:11:00

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。

上海电驱动电机研究院院长应红亮以“超高效智能电驱动系统”为主题做了一系列分享。

以下为现场实录:

各位嘉宾下午好,很荣幸受邀参加NE时代的论坛,这是我第二次来参加了,上一次分享的是对于平台化、兼容性的一些考虑,这次给大家分享的主题是“超高效智能电驱动系统”,这里面最主要的就是两个词,超高效和智能。

大家看到中间这张照片就是我们全新的EP220系列超高效扁线油冷电驱动系统。它有这么几个特征,首先是超高效的扁线电机,今天整个会上都在讲扁线,我们扁线电机也是一个有超高效设计目标。另外大家可以我们的集成系统上标配的是超高效碳化硅控制器。在智能化方面我们提了两点,智能化的NVH和智能化的软件功能。除此之外我们的集成化电驱动系统还有很多特点,比如说我们有系统级的轴电流解决方案。深度集成与模块化的结构,大家知道深度集成之后模块化和兼容性方面就会有遇到一些问题,后面我给大家讲一下我们的一些方案和思考。然后控制器这块,我们的控制器平台是基于Autosar的软硬件架构做的,能做到非常高的功能安全等级。

这部分主要讲电机,还是几个关键词,第一,低谐波转子,这对降低铁损、提升NVH性能是非常有帮助的。第二,低损耗硅钢片,我们选用了业内最好的硅钢片来做定子和转子以达到更高的低损耗目标。第三是低交流系数,我们的扁线电机采用的是54槽6极的方案,与常规的48槽8极电机相比,在较低层数下就能实现较小的交流系数。第四是高铜满率,这是扁线的一个特点,我们会根据不同的电压来合理设计绝缘层的厚度以达到更低的铜损。综合这些特点,我们的扁线电机系统做到了电机的最高效率97.7%的水平,三合一的综合工况效率可以达到91.5%。

扁线电机的铜耗影响因素里面除了交流系数之外,还有一个比较突出的问题就是环流的问题。我们有一个专利无环流的绕组设计方案,这里就不细讲其原理了,其作用就是降低温升、提升效率、提升持续运行能力。

这页讲的是效率对比,我们主要用NEDC效率来对比,我们用的是54槽6极的方案,与48槽8极电机相比,它在同样直径铁芯长度略短的情况下可以达到更高功率、更高转矩、更高工况效率。这里面最重要的原因就是铁耗、铜耗的降低,包括低交流系数和无环流的作用。而且这个和前面讲到的低谐波转子设计也很相关,做设计的都知道NEDC以及CLTC工况下铁耗是占绝大多数的。

碳化硅控制器这块,我们标配两种模块封装,一种是HPD封装,还有一种是可以达到更高功率的半桥封装。我们在碳化硅控制器上其实已经做了很长时间,2016年我们就已经把全碳化硅的控制器做出来了,当时就是基于双面焊接双面散热的碳化硅模块,功率密度做的很高。2018年我们做了乘用车用集成三合一和商用车的碳化硅控制器,这两个SiC控制器都跑完了整个整车的耐久工况,包括全套的控制器的耐久试验,做了非常多的探索和验证。2023年我们将会实现基于HPD封装的碳化硅控制器的量产。碳化硅对的能效的提升和电压有关系,400V的情况下它的效率提升是不如800V明显的,这和碳化硅的SiC模块开关损耗效的特性非常相关。在EMC这块,800V碳化硅应用下开关速率更高,会带来很多的EMC的问题,而我们的解决措施是两个,第一,电机三相部分会增加三相滤波组件,磁环就集成在三相连接模块里。另外我们会有一个4阶的母线侧的滤波,可以达到更好的EMC的性能。

说完了超高效的电机和控制器,说一下电驱动系统智能化的想法。第一,智能NVH。它首先体现是安静,不光是电机,总成也是,这需要做很多的优化。首先,总成的刚度要足够高,我们的核算结果是可以大于800赫兹,和分体式集成系统相比大概是翻倍的水平。其次是高刚度的箱盖,集成系统箱盖是一个噪声放大的环节,它的刚度和阻尼与噪声大小会非常相关。论坛外面展厅有复合钢板做展示,它是通过提升阻尼来提升NVH的。我们的路线是基于铝材做高刚度来实现,从数据来看,我们比业内常规的标准高25%以上。另外就是高刚度的悬置接口,这是比较常规的,但我们做了集成系统以后动刚度会做得更好。在降低NVH方面,电机本体里面也会有很多的优化措施,除了开头提到的低谐波转子,我们的54槽6极方案定子相比48槽8极方案具有更高的呼吸模态,这对NVH的水平提升非常有帮助。而且我们在油道结构设计方面有一个专利的静定油道结构。不仅呼吸模态上有提高,同时我们可以更好地将阻尼提升从而降低震动,最终会给整个电驱系统做降噪。减速器方面我们会和合作伙伴一起在减速器噪声源和路径上做很多优化,减少减速器本身的噪声辐射。这页讲的是智能NVH另外一面,动感澎湃,我们叫音威专利技术,前段时间我看了一个视频,两辆跑车过去,第一辆是传统的跑车,很震撼的声浪声音。第二辆来了宝马I8,纯电的,伴随着声音却是人在模拟声浪声,引起了人群的哄堂大笑。我们认为这就是对纯电超跑声浪的诉求,需要在车内甚至车外都有激情澎湃的感觉,因此我们提出电机中注入低阶次谐波,来产生半阶次声浪声的技术。

下面说一下智能化软件的事情,软件现在发挥了越来越多的作用,在系统层级上会给整车带来更多的好处,最典型的案例就是脉冲加热。除了脉冲加热,还有电机低效运行发热给电池传热的作用。还有OTA以及回滚功能。还有硬件加密,大家都怕被黑客劫持,尤其车辆智能化条件下,说不定哪天车就被别人开走了,我们的驱动系统里就会有这种硬件加密的网络安全功能。还会有主动阻尼,这是来解决启动车抖动功能的。还有标配的NVH谐波注入的功能,减少高阶噪声用的。下面两张图是我们已经在量产的车型上的数据,红色线和绿色线尤其在低转速段2000多转的时候对比很明显。还有随机PWM,这都已经在我们量产产品上得到应用了。还有电流环控制技术,包括电压前馈,能达到5:1的低载波比的功能。还有死区补偿,这个在小转矩的时候体现得更明显,通过减少电流的谐波,从而提高电机的效率和电控本身的效率。还有动态弱磁,永磁电机低温的时候反电势会上升,如果弱磁深度不够很容易出现失控的风险,我们的动态弱磁技术就能避免这个风险。还有DPWM技术,通过减少开关次数提高控制器的效率。这是电流传感器的自标定功能,传感器有温漂,时间长了精度有影响,我们会利用自标定算法提高控制的性能,让它更智能。然后是软件解码,在我们现在的平台上已经是第二代软解码技术了。这个技术我们9年前就已经量产了,在我们一个安徽的客户上,现在我们所有的产品都是软件解码的,没有一个硬件解码芯片。新的平台上我们会基于芯片的DSADC模块达到更好的解码精度,更好地实现转矩的精准控制。还有主动短路和主动放电功能,主动短路越来越普遍了,尤其在高压系统里,也是很有必要的。还有基本的矢量控制技术,我们也有很多基于各个方面各个小点上的算法以达到更好的控制精度、效率和功率。

再说一下集成化和模块化。这个壳体是一个比较深度集成的壳体,减速器、电机及逆变器壳体有一个非常好的相互刚性支撑,让控制器及总成有更好的模态表现。大家可以看到集成化之后重量降低了10%,看起来重量减少幅度没有那么多,但是这是加了很多支撑结构情况下达成的,非常不错的成绩。可以想见它会有更好的NVH表现。还有标配的三轴承结构,从我们的分析来看,它会减少花键不同轴带来的花键磨损,从而提高NVH以及并减少轴承,带来成本降低。这是我们的集成冷却结构,对于整车来说只有进水口和出水口,没有外接管路,大家看不到系统里面有外接的水管、油管,都集成在内部了。

模块化和兼容性方面,我们把系统分成四个模块,减速器、电机、壳体和控制器。兼容性考虑,第一,集成系统内电机的可调整范围比较大,基本上在300—450扭米范围内都可以覆盖,这还是和模块的能力有关系,电机实际上可以做得更大一些。目前的功率范围方面也是做得比较大,不同模块覆盖290到470千瓦以上。扁线层数方面,可以兼容6—10层,得益于我们产线的合作伙伴,在这个极槽数下可以做到了很好的兼容性。悬置接口这块,这是我们最大的挑战,我们把接口设计成了3个重要的接口,第一个悬置接口在减速器的壳体上,第二个悬置接口在电机的后端盖上,第三个接口在减速器的壳体上。在集成壳体上,我们做了这么一个可以做替换的结构来满足不同客户的悬置接口的要求。控制器的兼容性设计方面,我们分成三个大模块,三相磁环组件,三明治结构的电力电子组件和高阶滤波器组件。介绍一下我们的三明治结构电力电子组件,这个结构能够实现同尺寸封装的兼容,可以同时兼容半桥和HPD的封装。

在抑制轴电流损伤问题上,我们提供了一个系统级的解决方案,不光用碳纤维毛刷,还有三相磁环和软件主动抑制策略,可以减弱轴电流的影响,延长轴承的寿命。功能安全方面2018年我们就已经通过了ASILD的流程认证,ASILC的产品认证今年也已经拿到了。

下一代的软硬件平台,我们会基于三核的高性能芯片来做,符合Autosar架构的。这里面有很多功能,比如集成独立的电源模块、ASILD驱动模块等。这是软件的架构的情况,同样符合Autosar的架构,功能安全符合EGA3级的架构,从设计开发到验证遵从V模型的开发模式来满足客户的需求。下面列的图标就是我们的工具链。

最后简单讲讲上海电驱动总成产品上的规划,这是我们可以提供的产品,第一,永磁电机三合一及多合一的产品。第二,异步三合一,我们认为它是辅驱非常优选的平台,而且三合一可能更为合适。第三,增程式发电机二合一系统。增程式现在很火,毕竟用户喜欢才是王道。第四,混动和插电混动双电机和双电控。

这是我们的平台规划,第三代也就是未来三合一或者多合一的总成方面我们有EP220,这是我们目前最大的平台。同步的这个平台上也可以做异步平台,我们有EA180的异步电机的平台。再往下可以看到有EP150、EA120的系统,也是三合一的结构,油冷、水冷都有。再往下是70千瓦的三合一、多合一的平台,最下面是45千瓦的适合小车应用的三合一和多合一的平台。这个EP45上我们还有氮化镓控制器,去年进博会上我们就展出了氮化镓控制器的样品。双电控我们有EH150的平台,满足客户对于双电机控制器的需求。这页是我们比较早的样机展示,HEV用的双电机控制器,上面我们还集成了升压DCDC。现在PHEV大部分时候不一定用到小的升压模块了。这也是我们氮化镓控制器的介绍,大家知道氮化镓的问题是容量比较难做大,我们目前拿出来的产品是55千瓦的氮化镓控制器,我们同步也在研发100千瓦左右的氮化镓控制器,这会给400V小功率的产品带来更好的效率。这是我们的ER40增程器产品平台,已经实现量产了。这是异步电机的平台,EA180、EA120、EA70三个平台,我们的异步定子也是扁线的,而且和我们永磁电机的定子是通用的,这对客户、对我们来说都会是一个非常好的平台化的考虑。此外,我们每个平台都不是单独的一个产品,里面都可以延伸出很多款,针具客户不一样的需求打造不一样的电驱动系统。

最后非常感谢大家的聆听,谢谢。

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