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中国一汽:电驱系统关键技术发展分析
来源:ballbet贝博在线 作者:BB贝博ballbet网页登录时间:2024-02-01 18:56:08 浏览:7

  2023年12月15日,在第四届汽车电驱动及关键技术大会上,中国一汽研发总院电机电驱动开发部部长王斯博指出,当前市场创新主要集中在四个方面,分别是构型的创新和优化、多部件深度集成、多域融合控制、新材料新工艺。电驱产品始终关注功率密度、效率、转速、噪声等核心指标。

  王斯博介绍,近两年,一汽红旗在高转速、高集成和新材料新工艺等电驱关键技术开发层面进展显著。一汽长期致力于可持续演进的电驱技术体系,不断提升技术竞争力。

  当前,新能源汽车产业处于高速发展阶段,截至2023年11月,新能源汽车渗透率接近30%。现阶段的产业特征显示,电动化方向坚定不移,新能源汽车处于高速发展窗口期,政策驱动转向市场驱动。从核心技术和产业链融合发展情况看,新能源汽车发展态势良好。受益于新能源汽车的快速增长,电驱动行业体量也呈现出增长趋势。

  新能源汽车的盈利表现还未显著体现在电驱企业,电驱市场存在大而不优的现象,盈利成为普遍痛点,并且需加大投入才能不被市场淘汰。根据论证和分析,为保持竞争力,下一代电驱产品在重量和成本方面要下降20%以上。

  混合动力汽车插电和增程技术路线在市场崭露头角。一方面,混合动力汽车补能比纯电动汽车用户体验更好;另一方面,伴随着电驱技术升级,混合动力汽车驾驶体验接近纯电动汽车,混动车型的纯电里程多数分布在100km以下,少部分分布在150-200km。

  此外,当前市场创新主要集中在构型优化、多部件深度集成、多域控制集成和新材料新工艺方面。电驱产品仍关注功率密度、效率、转速、噪声等核心指标。

  从用户端出发,整车对电驱的核心诉求正在发生变化,用户结构从创新引领者和早期尝鲜者转到早期主流群体,后续会更加关注高效率、低成本、高品质、低噪音,消费会向理性和实用回归。同时,不同车型对电驱系统的需求优先级不断调整,会影响技术开发过程中的技术定义。此外,有两点需要重点关注,一是边际效应,二是技术创新。

  面向电驱高性能的趋势导向,电机转子拓扑设计逐渐从单层永磁向成多层永磁、从一字型向V型、从有磁桥结构向无磁桥结构不断拓展,为满足定制化需求,电机定子拓扑从常规槽型向异形槽型转化。同时,在能集成尽集成的趋势下,分布式电驱成为当前电驱系统构型创新的焦点,滑板底盘概念也在持续掀起热潮。

  由于各主流企业都采用数字化方案对电驱进行设计,因此如果能把每一项影响指标的因子拆分出来,所形成仿真平台的设计效果将十分优异。从电机拓扑角度看,趋势上表现为常规的8级48槽有向8级72槽发展,常规的定子模型有向各类异形槽发展,以满足静音、油冷电机等定制化需求。集成化层面,分布式驱动是当前的研究热点,但其价格较高,成本是一大痛点,行业需求推动降本。同时,轮毂电机趋从与底盘协同开发,作为未来重要技术方向之一,也在持续升温。

  高速化对于电驱技术来说是大方向,目前行业比较追求适当方案,市场推出了适应高速化的电机转子拓扑、高刚度轴系及防护结构等一系列提高电驱极限转速的技术。转子拓扑通过磁路避让增强电机抗退磁能力,增加去重孔、优化槽型,降低转子机械应力,提高电机高速可靠性。

  行业对效率的追求是永无止境的,各企业都在结合用户驾驶工况进行效率寻优。材料工艺方面,碳化硅应用、扁线方导体等都对效率提升有促进作用。

  当前油冷技术发展较快,许多主流的高性能电驱产品都有采用了油冷的技术方案。目前配置油冷技术的电驱系统最大持续功率普遍可达成峰值功率的40%~60%。伴随新型导热绝缘材料的应用与新拓扑设计的突破,持续/峰值功率有望达成90%以上。

  NVH评价指标正逐步结合用户场景进行细化,通过低电磁激振拓扑优化、低噪声传动部件、高刚度总成模态、噪声改善型结构和工艺、优化控制算法等综合技术手段,以消、隔、阻、控进行协同电机振动噪声优化。

  高压化可大幅缩短整车充电时间,然而是否采用高压更多是整车系统方案的抉择。高压会对电机带来EMC等挑战,包括高压后的轴电压(电流)等问题,但同时也为电驱带来了性能潜力。在高压化趋势下,碳化硅技术是未来高压逆变器的重点技术。电驱高压化后,碳化硅具有效率高、声音小、体积小的特点,对整车电驱系统性能提升有极大帮助。

  高可靠技术层面,伴随着油冷化进程加速,高压耐油专用电磁线、高导热绝缘材料的研究助力提升绝缘系统的可靠性;通过磁钢分块、精益化磁钢制备、晶相重构等技术提高磁钢工作稳定性,从配方、设计及加工制造等度开发更高稳定性的材料。

  轴向磁通电机因其更高的性能密度,逐步成为一项热点,很多厂家启动了12000r/min以上的高速轴向磁通电机,其中双转子结构更具性能优势。轴向磁通电机的关键技术主要集中在高强度盘式转子和定子绕组高效冷却设计,其工艺开发被认为是产业化应用的难点。

  伴随着底盘的深度集成、轻量化设计以及先进的冷却技术开发,轮毂电机技术有了大幅进步,目前在“滑板底盘”、自动驾驶巴士等车型中有所应用,但该技术在高速可靠性和工程化应用层面面临诸多挑战。

  减速器以更高效率、更低噪声为主要技术方向,超高转速对减速器开发提出更高要求,也是高速化的主要技术瓶颈。高速齿轮、高速轴承等零部件的设计和工艺以及减速器系统综合性能仿真开发技术将成为重点的技术攻关方向。

  红旗重点攻关了高速电机转动系统稳定性设计技术,并于2023年在国家检测中心取得了22000r/min电机最高工作转速的试验报告,相应电驱产品将搭载在红旗E001车型中上市首发。红旗还开发了相应的高速电机装配技术,包括高速转子去应力液氮装配技术等,以保证电驱高速稳定运行。还在短跨距方导体、高磁阻低谐波转子设计方面进行了相应优化,降低电机端部尺寸、缩减电机体积,同时提升了磁阻转矩比例,实现电机进一步小型轻量化。

  面向系统效率提升的高效节能驱动及控制方面,红旗开发了基于SiC功率模块的封装工艺、高精度结温预测和高安全模块驱动技术,提升电驱系统工况效率2%。此外,还攻克了全域智能分区变频技术,实现电驱系统频率自适应调制,市区工况电驱系统效率可提升1%~3%。

  电驱系统集成及智能化技术开发方面,一是重点攻关更高集成度的三合一电驱系统,电驱系统功率密度可达3KW/kg;二是布局了两款高性能矢量双电驱,未来将搭载在高级电动轿车上进行量产首发。

  大数据方面,红旗搭建了全新云端和边端可靠性预警平台,上线了多种预测算法,实现提前预警,达到了预期效果。例如,当识别电驱系统存在断线等隐患时,能够提前通知用户进行更换。

  基于新材料新工艺的电机技术开发方面,重点研究高能量密度磁钢、高性能铁心及新型低损耗绕组,助力实现电驱的性能及成本差异化。

  先进冷却结构和全局性噪声抑制电机技术开发方面,针对油冷技术,搭建全新智能冷却平台,可在车辆运行过程中控制油温和电机温度,同时兼顾减速器的润滑冷却,保证发热部件在工作中处于最优状态。

  电磁激振力仿真技术开发方面,通过细化拆分影响因子,通过智能化仿真平台寻优,实现全域的电磁激振力下降。

  高等级功能安全控制技术开发方面,通过三层安全监控以及多条关断路径,能够达成最高ASIL-D的功能安全等级。开发精准油冷润滑控制算法,旨在通过对流量的精准控制减少油泵的功耗,同时兼顾冷却和润滑需求,可以实现每个循环工况平均泵功耗降低近50%。

  高效传动技术开发方面,红旗主要聚焦高效齿轮技术、高效按需润滑技术、断开装置技术等。目前行业先进减速器的CLTC综合传动效率达到97%以上,通过高效齿轮、高效按需主动润滑、断开装置技术应用等可进一步提升传动系统的综合使用效率。

  未来,电驱行业面临着诸多挑战。政策、市场和用户需求随时都在调整,直接影响着新能源整车和电驱产品方案的属性优先级定位,技术研发应紧跟市场需求。需要加快引领性和原创性技术创新,进而驱动产业发展,增强行业整体竞争力。

  其次,新能源整车赛道进入淘汰赛阶段,上量和迭代创新成为这一阶段的核心特点,这两者冲突明显,成本管控和技术创新是必须掌握的生存技能,提升体系效率是决胜关键。同时,电驱系统融合了软硬件、功率电子、电磁、热、结构、材料、工艺多学科的研究成果,颠覆式技术创新对未来至关重要,数智化技术的突破将产生性的变革。

  (以上内容来自中国一汽研发总院电机电驱动开发部部长王斯博于2023年12月14日-15日在2023第四届汽车电驱动及关键技术大会发表的《电驱系统关键技术发展分析》主题演讲。)

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