一汽研发总院王斯博:高功率电驱的开发探索及实践

NE时代新能源

阅读 2338    更新于2022-10-04 03:01:00

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。

中国一汽研发总院电机电驱动开发部高级主任王斯博以“高功率电驱的开发探索及实践”为主题做了一系列分享。

以下为现场实录:

大家好!下面由我进行“高功率电驱的开发探索及实践”的分享。我来自中国一汽研发总院,主要负责新红旗品牌电驱开发。主要分为以下四个方面:

产品需求及行业发展现状

首先,对电动汽车来说依据整车不同的定位,对电驱系统有不同的应用需求,这决定了设计的优先级排列。于高性能车型来说,普遍关注动力性、舒适性,对成本、经济性相对不是特别关注,但对私家车来说,成本、经济性是一个比较关注的点,同时对网约车来说,可靠性包括运营成本是关注的点。

依据整车需求不同确定电驱性能和成本设计,是当下对电驱动来说设计不趋于同质化的基础。

新红旗品牌在高功率红旗EHS9车型搭载了自主研发的电驱这块进行了初步探索,245kW高性能永磁同步电驱,这项技术在去年获得了“世界新能源汽车创新技术奖”。

高功率电驱产品,我们初步给它一个定义,就是功率在200kW以上的高性能动力总成。它的核心需求有几个方面:转速上,普遍要支持整车200-260km/h的最高车速,所以最高转速比较高,目前市面上也出现了320km/h车速的产品。高扭矩对起步加速、爬坡都需要有更高要求。同时还有高峰值功率的要求,不光是零百加速的要求,同时要求高速段120km/h以上持续加速能力。此外,有些产品已经嵌入了过载的Boost功能,加速的时候可以进一步释放功率能力。噪音层面,除了要求总噪声的指标以外,全工况各个阶次的噪音都有相应的指标定义,同时开关频率噪音也有详细的要求。可靠安全层面,有明确的功能安全要求,以及更高的可靠验证标准。驾驶操控层面,对主动减震技术以及其他和舒适度相关的技术都要进行要求,同时保证扭矩响应时间在一个很低的标准内,这样可以在起步加速、超车过程中都有更好的推背感。高动力跟高效率一般很难兼顾,要求工况循环效率的同时,对高速持续巡航效率也有要求。小型化,也是当前的研究热点。搭载的总空间越来越狭小,同时底盘向一体化集成过程中转向,悬架也逐步挤压空间。因此,高功率电机应用在高性能的车里也会面临挑战,毕竟车的空间是有限的。

从《节能与新能源汽车技术路线图》来说, 2.0版本丰富了各个维度的指标,包括噪声、成本、效率等,从2025到2035都有相应的整体指标和关键技术的布局。高功率电机产品会在整个目标实现上首当其冲,因为很多新材料、新工艺都会首发搭载在高性能产品上加以应用。

我们统计了今年已经量产或明年量产的总成,指标特点是200-340kW,转速15000- 20000rpm左右,功率密度4.0-7.0kW/kg,三合一最高效率可以做到95%,峰值扭矩可以到575Nm,持续转矩60-150Nm。

系统级的关键技术有以下几个:1.冷却技术方面,普遍采用端部油环的冷却方案,也有厂家开始做槽内冷却;2.多层方导体技术;3.碳化硅封装形式目前有六合一封装的,也有二合一独立封装的,各个厂家逐步研究的基于高频特性的特殊封装也是一个热点;4.高压导线、耐电晕以及耐PDIV设计,也是当前一个痛点;5.高速方面,现在普遍在15000-20000rpm的水平,高强度硅钢和特殊防护已经开始有人布局;6.深度集成技术,普遍采用三轴承的方案,电机和减速器基本是共壳体,构型上存在两档减速器,还有多合一等形式,或类似特斯拉发布的矢量电驱,后面两个电机,左右轮独立驱动的技术。

高功率电驱系统的研究热点技术

从电机角度讲,一是高性能拓扑。以往我们开发不同的转子构型,实际发展的方向是减少磁桥甚至是取消磁桥,最大限度利用永磁体的能力,提升电机的功率。

总成集成技术方面,从以前的单电机到现在的二合一、三合一甚至多合一,未来可能出现和底盘深度集成的轮毂电机系统,整个系统集成度是越来越高的,对高性能车也是至关重要的。此外,集成技术也从结构集成逐步发展到控制集成、功能集成、芯片集成,与零部件小型化、轻量化技术相得益彰。电驱+底盘方面,比如悬架自动转向的融合技术,也是未来发展的一个热点,也会有广阔的研究前景,所有运动控制可能是一体化的,相互之间的通信、时效也非常短,这样可以提升驾乘感受。

高速化、高效化两个方面,目前各家都在做高速解决方案的研究,包括高强度硅钢、碳纤维护套等新材料和新工艺的应用。 针对高速高压的全新电磁拓扑也是一个研究热点,包括高刚度空心轴、轴承的防护结构等。高效的设计,以往关心的是单一部件的效率或系统效率,实际上,从整车端、用户端、电气端以及整体热管理方案角度出发可以更大地挖掘和利用能效空间。基于用户端、电驱端综合需求的专项优化,也是从整车层级方面发挥电驱高效优势的一个研究热点。目前,各个厂家都在说的CLTC效率,实际并不是一个电驱的指标,更多情况下是将电驱最高效率作为评价指标,CLTC效率要匹配整车参数去评价。这块我们在行业里一直呼吁倡导统一CLTC评价标准,在同一个标准下进行评价,以此来提升技术水平,同时评价技术与整车能耗相统一。

散热技术和NVH技术。油冷化肯定是高性能电驱系统、高功率电驱系统的关键技术。以前,我们是水冷,现在逐步向端部喷油发展,该技术可以让持续性能提升30%以上。同时,高速段的转子冷却技术对持续性能也有较大的提升。油冷设计优化层面,方案上都逐步关注如何缩短热传递路线,使得散热更均匀,同时定子槽内冷却,包括浸没式冷却,也可以进一步加大散热能力。电磁振动噪声优化层面,去包裹化成为很多公司开始宣传的一个点,电驱不再装配包裹,而且评价维度方面,行业也不简单是从WOT、POT加速的维度去评价,而是逐步向全域声品质评价、多维度阶次噪声评价的方向发展。当然,研究的热点也逐步从设计过渡到了工艺、下线检测等维度,以上都会影响整体噪声的效果。

高压化、SiC层面。高压化设计也带来了很多的挑战,从系统级的角度讲,高压化会导致电流谐波变大进而导致电机的谐波电流损耗变大,所以优化谐波损耗,降低高压化对电机综合效率影响,也是一个研究的点。同时,绝缘系统整体包括材料与绝缘系统绕线怎么设计来保证电机平稳可靠运行也是一个研究的方向。此外,800V车型平台开发中,利用电机进行升压充电、电池脉冲加热等也是行业里普遍在尝试的热点,如何优化电机以更好承接这两个功能的要求也是需要研究的方向。对于碳化硅功率器件,还没有在整车上大面积应用的经验,与电驱系统其它部件的匹配还有很多点要持续挖掘,比如怎么降低杂散电感,怎么提升散热,所以做定制的封装,也是一个研究热点,然后是怎么降低EMC发射,怎么和电机一体化集成,降低碳化硅对轴承、绝缘系统的损伤。同时碳化硅芯片工艺也在持续优化,目前,有些厂家也在做基于匹配整车系统的设计优先级的碳化硅芯片定制开发,以求在成本、效率、性能上达到综合最优状态。

可靠性的层面。从绝缘系统说,不光是材料级、系统级的评价,包括线的选型都有相应的研究热点,同时高稳定性的磁钢开发也十分重要,未来集成化、小型化以后,磁钢涡流损耗对磁钢发热和退磁都会带来挑战,这部分也会有相应的一些研究工作。

前瞻电机层面。轴向磁通电机与行星减速器深度集成,组成一个比较小型化的矢量控制系统。这样的控制系统在高性能跑车上,甚至追求动力性的小型车上,应用前景是比较广阔的。通过研究,我们发现双转子的轴向磁通电机性能明显优于双定子轴向磁通电机,而且多数厂家聚焦向10000rpm以上发展。

高功率电驱开发测试方面。有两个方向。一是向上集成,系统测试逐步走向集成化、多维化,测试条件更加贴近整车。二是向下分解,零部件的层面,逐步走向精细化,800V出了很多的产品,但零部件的评价体系标准没有跟上,所以未来有很多统一、精细化标准的工作要做。

高功率电驱开发工程实践

下面简单介绍一下一汽在高功率电驱开发的工程实践。

从高性能拓扑层面,我们做了多种分层转子拓扑的研究,同时基于多目标寻优技术,把工程设计理念从经验设计转到了智能化自动化的设计。高效电机开发层面,基本已经完成了电机参数化模型的开发,通过高性能的优化平台可以实现多方案的快速迭代。同时,损耗精确分析层面,我们在方导体的集肤效应、基于工艺的铁损分析做了相应的研究,包括抑制方导体的交流铜损、PWM谐波损耗分析等。

静音电机开发方面,我们以客户体验为追求目标,将NVH开发指标逐级分解为整车级、系统级、零部件级三个层级。重点是在四个方面开发优化:第一、电磁力优化方面,采用低电磁激振磁路设计抑制特定阶次电磁力;第二、采用高刚度模态结构,以问题导向进行局部刚度加强,减少低阶模态个数;第三、控制层面,采用谐波注入以及随机变频等控制算法抑制电磁噪声及开关频率噪声;第四、传递路径上,优化悬置隔振减小低频结构振动传递,采用阻尼盖板减弱振动噪声辐射。以消、隔、阻、控等手段协同进行电机NVH优化,全路径、全维度地降低电机噪声。

高压电机开发方面,400V和800V电驱我们采用了共平台的设计,采用相同的油道设计。谐波分析和优化层面,我们在电机电感调配、槽型设计做了相应的研究。轴电压抑制层面,我们采用了抑制、阻隔、疏导三重一体防护机制,保证了从源头上避免轴电压对电驱系统可靠性的伤害。绝缘系统开发层面,我们基于整车大数据确立了一个评价测试准则。

前瞻电机方面,利用先进仿真工具实现三维多物理场耦合仿真分析和优化,这是我们当前研究的一个热点。同时超高性能电机开发方面,在控制和电磁层面也要进行解耦,降低控制耦合的风险。

油冷热性能开发,我们建立了基于V型开发流程的从设计仿真到实验验证的流程体系。我们跟合作伙伴一起做的油冷开发,包括喷油口的设计、喷淋状态,流量分配等。

核心零部件层面,包括高能量密度磁钢、绝缘耐压系统,我们对相应工艺技术进行了相应的布局,同时高磁感硅钢层面也进行了一些工艺的实现和探索。

总结和展望

说是总结展望,其实也是对我以上分享的一些补充。

1.面向量产的提升,高水平的工艺开发和工程质量这是日趋重要的。总成的发展,从技术竞争会走向工艺竞争,这是一个必经之路。

2.面向高性能及快速开发的需求,多物理场协同设计,提升材料近限应用能力是关键路径。

3.产品技术发展的同时,关键总成及零部件评价标准需要行业共同努力。目前很多指标和很多标准还没有做没有细化,很多工作要跟得上产品开发。

4.人工智能、大数据、云计算、数字孪生等新技术快速发展会推进电驱研究向多领域融合发展。

谢谢大家。

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