QDSJ173 新能源电驱动系统发展趋势及关键技术

NO.173新能源电驱动系统发展趋势及关键技术1 电驱动系统的六大技术（1）系统集成技术由于新能源电动汽车种类繁多、功能各异，很难设计一种具有普遍、通用化意义上的电驱动系统来适应所有车型，所谓集成，也就是在功能和场景的约束下，实现紧凑和轻量化的设计。目前行业内都在做“三合一”，就是把驱动电机、减速器和电控部分集成为一体，可以实现轻量化、高效、小型化，同时降低成本，在一定程度上解放空间、利于整车布置。通过集成化设计，一方面可以简化主机厂的装配，提高产品合格率；另一方面可以大规模缩减供应商数量，还可以达到轻量化、节约成本等目的。电驱动系统的集成化设计不仅可以实现驱动系统的小型化和轻量化以降低成本，还可以提高效率：如果将驱动电机与逆变器集成一体，逆变器配置在驱动电机旁，连接电机与逆变器的线束就可以缩短或者置换，由此，不仅减小了机构的尺寸和重量，还降低了线束产生的能量损耗。如博世，GKN Driveline，三菱电机和舍弗勒。不仅实现了逆变器与电机之间的连接配线缩短，尺寸更小，还降低了连接部位的电力损耗，提升了驱动系统效率。再如，将驱动电机与减速箱集成为一体，减速器齿轮的润滑油和电机的冷却油就可以共用，精简了冷却机构，可以实现小型化。综合来看，目前大多数企业只能做到“二合一”(电机集成减速器)的电驱动总成方案，但预计未来几年内，三合一电驱动总成方案将成为主流。（2）功率电子技术电动汽车中需要使用大量的功率电子器件。据丰田汽车统计，功率电子器件用量在电动汽车中占到所有半导体器件的25%。功率电子方面，分三个部分：芯片技术、封装技术、集成应用技术。功率半导体是各行各业能源转换的核心器件，处产业链核心环节，技术壁垒极高，对于电动汽车而言尤为关键，对于其他产业也非常重要。芯片方面是国内比较薄弱的，在损耗和单位面积的输出电能能力方面和国际有比较大的差距。从芯片角度，整体的趋势是小型化、高功率密度和低损耗。封装现在国内有不少封装厂，但是走的路线基本上是逆向封装，正向设计的原创封装能力是有欠缺的。封装技术可实现功率模块小型化，高功率密度，但要求散热能力要好。所以，从封装的拓扑结构、封装的材料选择，散热器的技术进步，以及导线互联等封装技术都需要不断的进步。现在国际上芯片和封装技术都在飞速发展，功率电子的技术革新比前些年的发展速度快的多。集成应用技术是电机厂和整车厂比较关注的，每个公司都有自己公司的特殊技术和know-how。应用方面，如何发展功率电子器件的潜力，通过一些驱动设计、控制方面的设计优化它的性能，同时也要保障功率电子应用的可靠性以及耐久性。（3）电机控制技术国内的电力电子技术起步相对较晚，功率电子一直是制约我们国内电机控制器发展的瓶颈。因为这些技术的时间差，使得国内电机控制器的功率密度水平和国外量产的产品比较存在有些差距。电机驱动汽车前行，而电机控制器驱动电机工作。电机控制器由逆变器和控制器两部分组成。逆变器接收电池输送过来的直流电电能，逆变成三相交流电给汽车电机提供电源。控制器接受电机转速等信号反馈到仪表，当发生制动或者加速行为时，控制器控制变频器频率的升降，从而达到加速或者减速的目的。电动汽车电机控制器技术发展趋势①高安全性，这个是基本要求。集成功能越来越多，安全要求越高。②高功率密度化。外形体积随分装向小型化发展。③高压化是基本趋势。GBT的方向是650V IGBT的设计往更高的750V以及1200V 。④EMC等级越来越高。接下来要做到class 5水平。（4）性能设计技术电驱动性能包含NVH性能、安全性能、电磁性能等几个方面，电磁性能方面目前流行高磁阻设计，以实现大扭矩、高转速和反电势均衡，当然也会带来谐波的恶化。还有一些热问题需要同步解决：热性能一般从一维做到二维、三维，还有一些根据工况循环进行瞬态仿真、安全方面的退磁和疲劳等问题。一维：数据实时显示曲线图二维：电机特性曲线图三维：电机特性分布图关于短时过载能力，目前设计指标多规定为30秒，实际应用中常用的是0.5秒、3秒、5秒。（5）材料工艺技术驱动电机的功率、转矩、效率和寿命与所用的硅钢片有很大关系，尤其是电机转子所用的无取向电工钢片，磁性能决定了电机的转矩和效率，铁损越低电机效率越高，磁感增大电机转矩才能增加，力学性能决定了定子和转子的加工精度、承载强度和最大转速。新能源电动汽车对驱动电机电工钢片的要求：1）电机需要提供高扭矩用于启动，要提高扭矩必须提高电流和电工钢的磁感2）常用驾驶模式下电机效率一般85%～93%，要提高能源转换效率，要求电机所用电工钢片具有优秀的磁性能，即中低磁场下的高磁感和高频下的低铁损3）电机转速6000～15000r/min，要求使用的电工钢片具有足够高的强度抵抗离心力，这要求使用高强度电工钢，特别是永磁驱动电机，磁极镶嵌于转子之中，因此保证转子的强度至关重要4）缩小转子和定子之间的间隙可有效提高磁通密度，这要求电工钢薄片具有良好的冲片性5）在汽车的使用周期内，处于服役期的高速旋转的电工钢片不能发生疲劳破坏，即要求有高的疲劳寿命为了减少绕组线的长度，减小电机的体积和用铜量，减少铜损耗，提高电机效率，降低电机重量，提高功率密度，需要合理选择电机绕组方式，可以改善电机绕组的磁势正弦，降低定子磁势的谐波含量，减少电机铁耗和定子绕组引起的电机纹波转矩，提高电机效率，降低电机振动和噪声，合理选择电机绕组方式，可以提高电机凸度，提高磁阻转矩，减小绕组电流，降低电机铜耗。总体上定子中绕线的量是决定电机功率大小的重要因素。而决定绕线量的则主要是在有限空间内铜线可以绕机芯的圈数。技术方面目前插入器的使用由于适合高功率的定子加工，并有逐渐成为行业生产标配的趋势。为了实现电机小型化，本田增加了绕线的占积率(空间中铜的比例)，使定子变小。通过使用大截面的方形导线作为线圈，使得占积率达到了60%。 在传统的电动机中，使用薄的圆形线圈，占积率一般只能达到48%。为了使定子小型化，线圈使用截面积大的方形导线。与传统的圆形线圈相比，方形导线可使占积率从48%增加到60%。但是，由于和圆线相比方线变粗，导体(铜)中的“过电流损失”会增大。通常通过增大定子的槽宽度或减小每个线圈的厚度来减小过电流损耗。为了实现小型化，本田同时还缩短了从定子突出的线圈部分(“线圈末端”)。本田技术人员认为线圈末端部分“对电机工作没有贡献”。为了缩短线圈末端，采用了新的绕线结构方法：首先，将矩形线圈塑形成U字形，以形成“并列分割线圈”。接下来，将该分割线圈从定子铁心的轴方向插入。之后，将插入侧以及对侧伸出的线圈前端焊接在一起而形成线圈。新的绕线工艺需要投资新的制造设备。与传统工艺相比，新工艺不需要绳子捆绑，也不需要将线圈末端压扁，从而更易于自动化。由此实现高效率大批量生产，成本也能降低。（6）试验验证技术产品开发过程中需要结合车型特点进行更严格的验证（NEDC），重点关注实验前后输出功率和系统效率，以及电气元件的绝缘和老化内容。在试验过程中，可以在不改变失效机理的前提下，提高应力来缩短试验时间，常用的加速模型需要结合试验数据进行验证。整个测试以额定功率或峰值功率、恶劣环境考核电机和总成产品，可分为市区路况、郊区路况和高速路况。为了解电机实际行驶工况，采用转毂试验和路