電驅動(dòng)系統小型化、輕量化、集成化漸成趨勢
隨著(zhù)新能源電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)越來(lái)越活躍,關(guān)于電動(dòng)汽車(chē)電驅動(dòng)系統的一體化研究開(kāi)始步入工程師的視野,通過(guò)將驅動(dòng)電機、逆變器,減速器三個(gè)部件一體化、集成化,可以實(shí)現輕量化、高效、小型化,同時(shí)降低成本,在一定程度上解放空間、利于整車(chē)布置。而將驅動(dòng)系統安裝在車(chē)輪內的輪轂電機,更是進(jìn)一步推進(jìn)了電驅動(dòng)系統的小型化和輕量化,雖然還處在產(chǎn)業(yè)化的前夜。
電動(dòng)汽車(chē)電驅系統輕量化 小型化發(fā)展趨勢及實(shí)現路徑
在電驅動(dòng)技術(shù)集成方面,初步的有“二合一”(電機集成減速器)方案;進(jìn)階方案則是“三合一”(電控+電機+減速器)方案,是目前研究的主要方向。
綜合來(lái)看,目前大多數企業(yè)只能做到“二合一”的電驅動(dòng)總成方案,但預計未來(lái)幾年內,三合一電驅動(dòng)總成方案將成為主流。
電動(dòng)汽車(chē)電驅系統輕量化 小型化發(fā)展趨勢及實(shí)現路徑
而從長(cháng)遠來(lái)看,電機、減速器、電機控制器、高壓分線(xiàn)盒、DC/DC、DC/AC、充電機等零部件都會(huì )集成為一個(gè)大的動(dòng)力總成:“多合一”,即將電機+減速器、電機控制器、充電機、直流變換器、高壓分線(xiàn)盒、部分整車(chē)控制器等都集成到一起,代表車(chē)型是寶馬i3。
電驅系統集成化的必要性分析
隨著(zhù)新能源汽車(chē)技術(shù)的不斷發(fā)展,零部件集成化設計已經(jīng)成為必然趨勢。通過(guò)集成化設計,一方面可以簡(jiǎn)化主機廠(chǎng)的裝配,提高產(chǎn)品合格率;另一方面可以大規?？s減供應商數量,還可以達到輕量化、節約成本等目的。
電動(dòng)汽車(chē)電驅系統輕量化 小型化發(fā)展趨勢及實(shí)現路徑
電驅動(dòng)系統的集成化設計不僅可以實(shí)現驅動(dòng)系統的小型化和輕量化以降低成本,還可以提高效率:如果將驅動(dòng)電機與逆變器集成一體,逆變器配置在驅動(dòng)電機旁,連接電機與逆變器的線(xiàn)束就可以縮短或者置換,由此,不僅減小了機構的尺寸和重量,還降低了線(xiàn)束產(chǎn)生的能量損耗。
如博世,GKN Driveline,三菱電機和舍弗勒。不僅實(shí)現了逆變器與電機之間的連接配線(xiàn)縮短,尺寸更小,還降低了連接部位的電力損耗,提升了驅動(dòng)系統效率。
再如,將驅動(dòng)電機與減速箱集成為一體,減速器齒輪的潤滑油和電機的冷卻油就可以共用,精簡(jiǎn)了冷卻機構,可以實(shí)現小型化。
電動(dòng)汽車(chē)電驅系統輕量化 小型化發(fā)展趨勢及實(shí)現路徑
與國內企業(yè)單純的“三合一”電驅動(dòng)方案有所不同的是,博世BOSCH、博格華納BORGWARNER、采埃孚ZF等國際零部件巨頭則推行將電機、電控、減速器及功率電子模塊等部件與傳統車(chē)橋相結合,形成一個(gè)高度集成化的電驅動(dòng)橋產(chǎn)品,使得整個(gè)電驅動(dòng)總成系統具備成本更低、體積更小、效率更高等優(yōu)勢。
國內三合一電驅系統介紹
長(cháng)安汽車(chē)
長(cháng)安第二代電驅動(dòng)總成也是三合一方案,包含了電機、減速器與電控等集成,目前已經(jīng)開(kāi)發(fā)完成。相比此前的總成,該電驅動(dòng)總成成本下降了30%,重量降低15%,體積也將近降低20%,同等電量下,NEDC續航提升約5%。
電動(dòng)汽車(chē)電驅系統輕量化 小型化發(fā)展趨勢及實(shí)現路徑
今年4月17日,長(cháng)安汽車(chē)和比亞迪汽車(chē)在重慶正式簽署了聯(lián)合開(kāi)發(fā)電驅系統的合作框架協(xié)議,雙方旨在互補優(yōu)勢,達到在新能源汽車(chē)領(lǐng)域共贏(yíng)的目的,并且針對目前新能源汽車(chē)集成化設計的趨勢,進(jìn)行電驅三合一產(chǎn)品的設計、匹配、試驗、生產(chǎn)等。據悉,合作的成果最快將于明年達到量產(chǎn)批準狀態(tài),隨后搭載在長(cháng)安某款車(chē)型上,推向市場(chǎng)。
上汽榮威
全新開(kāi)發(fā)的EDS電驅動(dòng)系統能耗優(yōu)化降低至業(yè)界領(lǐng)先的15kWh/百公里。電機起步實(shí)現超高扭矩,4.5秒0-50km起步加速度遠超同級燃油車(chē);結合iBooster電控制動(dòng)系統,最大程度回收制動(dòng)能量。
電動(dòng)汽車(chē)電驅系統輕量化 小型化發(fā)展趨勢及實(shí)現路徑
純電動(dòng)SUV車(chē)型上汽榮威ERX5的EDS電驅動(dòng)系統為85kW一體式電驅動(dòng)系統。它是以匹配整車(chē)驅動(dòng)效率最優(yōu)為目標開(kāi)發(fā)的全新系統。這套EDS電驅動(dòng)系統集成了電力電子控制單元、高性能動(dòng)力電機和減速器。電力電子控制單元通過(guò)極短的高壓線(xiàn)束與三相永磁同步高性能動(dòng)力電機相連。
比亞迪
比亞迪將電機、減速器、電控作為一體設計,打造了三合一電驅動(dòng)總成系統,具有高度集成化、IGBT損耗小、高效區寬等諸多優(yōu)勢,滿(mǎn)足了A00、A0、A、B級等轎車(chē)對動(dòng)力性加速和爬坡的需求。
比亞迪“e平臺”,涵蓋電機、電控、變速器高速集成的三合一電驅動(dòng)總成,以及DC-DC、充電器和配電箱三合一的高壓系統等,電機轉速達到14000rpm。
電動(dòng)汽車(chē)電驅系統輕量化 小型化發(fā)展趨勢及實(shí)現路徑
驅動(dòng)總成綜合效率達到88%,最高效率達到91.9%,重量下降了35%,功率密度提升了40%,電機成本下降了40%。比亞迪元EV360電機峰值功率為160KW,峰值扭矩為310N·M。
NIO蔚來(lái)
EDS電驅動(dòng)系統是電動(dòng)汽車(chē)的“心臟”,高性能電驅動(dòng)系統的設計、開(kāi)發(fā)和集成,對研發(fā)團隊的技術(shù)考驗相當大。XPT一體化集成的EDS電驅動(dòng)系統,配備世界級銅轉子感應電機、獨特拓撲架構設計的電機控制器和大扭矩齒輪箱。 高功率、大扭矩的動(dòng)力新組合,給予用戶(hù)澎湃動(dòng)力感受。
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精進(jìn)電動(dòng)
精進(jìn)電動(dòng)自主研發(fā)的電機+減速箱+電控一體化總成,將于2019年投產(chǎn)。新一代“三合一”電驅動(dòng)總成將實(shí)現動(dòng)力、效率、輕量化、重量、振動(dòng)噪音和成本水平的更好表現,300Nm系列電機的轉速將提高到16,000轉以上。
電動(dòng)汽車(chē)電驅系統輕量化 小型化發(fā)展趨勢及實(shí)現路徑
精進(jìn)電動(dòng)目前做的有四合一的控制器。還有一個(gè)充電和驅動(dòng),因為開(kāi)車(chē)的時(shí)候從來(lái)不充電、充電的時(shí)候不開(kāi)車(chē)。很多人說(shuō)無(wú)線(xiàn)充電的時(shí)候,車(chē)一邊走、一邊充,現在還沒(méi)做到這一點(diǎn)。我們完全可以用一個(gè)功率模塊來(lái)做,有很多的人都在嘗試著(zhù)做這樣一些東西,精進(jìn)電動(dòng)也在嘗試。
國外三合一電驅系統介紹
相對于國內廠(chǎng)商,國外廠(chǎng)商在電驅動(dòng)系統集成化設計方面走得更超前,并已在部分車(chē)型上有所應用。具體來(lái)看,國外廠(chǎng)商推出的電驅動(dòng)總成產(chǎn)品,其集成度更高、體積更小、效率也更高。
博世eAxle電驅動(dòng)橋
博世BOSCH充分利用其完整的產(chǎn)品線(xiàn),進(jìn)行高度整合后將動(dòng)力電機、電機功率控制逆變器和變速箱合三為一。體積上的大幅減少更能支持新能源車(chē)型緊湊的動(dòng)力布局。博世將原來(lái)獨立的電機、電機控制器、變速箱和包括逆變器在內的功率電子模塊集成到一個(gè)外殼當中,可安裝在油電混合動(dòng)力車(chē)、電動(dòng)車(chē)等車(chē)型上。
電動(dòng)汽車(chē)電驅系統輕量化 小型化發(fā)展趨勢及實(shí)現路徑
據了解,具體產(chǎn)品可按照平臺設計輸出50KW到300KW、1000NM到6000NM等不同的變型產(chǎn)品。
產(chǎn)品優(yōu)勢:高度集成的另一好處就是電機和逆變器的液冷冷卻管路整合而簡(jiǎn)化了管線(xiàn)布置。模塊內部集成大功率交流驅動(dòng)母線(xiàn)進(jìn)一步降低了線(xiàn)纜成本。
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與傳統電機相比,博世的eAxle電驅動(dòng)系統可擴展模塊化平臺,使不同功率產(chǎn)品快速開(kāi)發(fā)并適配于不同車(chē)型,大大縮短開(kāi)發(fā)周期,由此帶來(lái)5%-10%的成本效益。同時(shí),該系統可實(shí)現高度集成化,體積較傳統電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力總成系統減少了20%。
GKN(吉凱恩)電驅動(dòng)橋
GKN自2002年開(kāi)始一直推動(dòng)eAxle技術(shù)的發(fā)展,目前已經(jīng)研發(fā)了多?；旌蟿?dòng)力MMeT產(chǎn)品(于2018年國內量產(chǎn))、GKN半集成化產(chǎn)品、GKN集成式電驅系統(2019年國內量產(chǎn))。
電動(dòng)汽車(chē)電驅系統輕量化 小型化發(fā)展趨勢及實(shí)現路徑
目前,eAxle已經(jīng)可以實(shí)現14?000?r/min的輸入轉速,且在接下來(lái)的幾年中,輸入轉速有望達到甚至超過(guò)20?000?r/min,混合驅動(dòng)模式時(shí)轉速可能更高。
據了解,GKN集團最新研發(fā)生產(chǎn)的電驅動(dòng)橋(eDrive)將電機、逆變器、eAxle減速箱等集成為一體,可提供2000N·M轉矩和70KW功率,可使車(chē)輛在純電動(dòng)模式下達到125km/h的最高車(chē)速。
電動(dòng)汽車(chē)電驅系統輕量化 小型化發(fā)展趨勢及實(shí)現路徑
產(chǎn)品優(yōu)勢:整套電驅動(dòng)橋系統重量只有20.2公斤,最高效率達到97%。目前GKN的電驅動(dòng)橋已經(jīng)在沃爾沃XC90插電混動(dòng)車(chē)型、寶馬i8、三菱歐藍德(插電混動(dòng)汽車(chē))等車(chē)型得到了成功應用。
博格華納:eGearDrive®電子驅動(dòng)橋+電機
針對電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域,博格華納推出了eGearDrive®電子驅動(dòng)橋+電機的綜合解決方案系統,該方案適用于不同車(chē)型、不同能效比的電動(dòng)汽車(chē)。
電動(dòng)汽車(chē)電驅系統輕量化 小型化發(fā)展趨勢及實(shí)現路徑
▲博格華納中國區總裁談躍生先生
eDM電驅模塊最終實(shí)現模塊傳遞扭矩最高可達315Nm,輪上持續扭矩和輪上峰值扭矩分別達到1450Nm和2500Nm,最高輸入轉速可達12000r/min,實(shí)現系統傳動(dòng)效率大于93%,以更高的穩定性、牽引力和低噪音性能,為電動(dòng)汽車(chē)駕乘者帶來(lái)出色的駕駛樂(lè )趣。
產(chǎn)品優(yōu)勢:eGearDrive®電子驅動(dòng)橋具有較高的扭矩容量,能夠處理高達14000rpm的輸入速度,從而保證運作平穩、低噪音。
電動(dòng)汽車(chē)電驅系統輕量化 小型化發(fā)展趨勢及實(shí)現路徑
▲博格華納全球副總裁兼首席技術(shù)官(CTO)Christopher P.Thomas 先生
應用情況:特斯拉、北汽新能源、長(cháng)城C30EV等。其中,長(cháng)城C30EV便采用了博格華納的一體式電驅動(dòng)橋,峰值扭矩達280N·M,峰值功率為120KW,百公里加速度為8s。
采埃孚:三合一電驅系統
對于純電動(dòng)車(chē),采埃孚提供了輕巧、緊湊的電驅橋系統。該系統包括了電機、兩級減速機和一體化的功率電子系統。該系統的高速設計使其極為高效。采埃孚的電驅系統包含電機、變速器、傳動(dòng)部件等等,專(zhuān)為微型車(chē)、小型車(chē)研發(fā),轉速可達21,000轉/分鐘,同時(shí)還具備電能轉化效率高和性能優(yōu)異的特點(diǎn)。
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采埃孚全新推出的模塊化mSTARS系統包含了驅動(dòng)電機、變速器、差速器和功率電子模塊,可同時(shí)適用于傳統動(dòng)力汽車(chē)、混合動(dòng)力汽車(chē)及純電動(dòng)汽車(chē)等多種不同驅動(dòng)形式的車(chē)型。
體積更小,成本更低的驅動(dòng)電機
電機是應用電磁感應原理運行的旋轉電磁機械,用于實(shí)現電能向機械能的轉換。運行時(shí)從電系統吸收電功率,向機械系統輸出機械功率。
電動(dòng)汽車(chē)電驅系統輕量化 小型化發(fā)展趨勢及實(shí)現路徑
異步電機主要應用在純電動(dòng)汽車(chē),永磁同步電機主要應用在混合動(dòng)力汽車(chē)中,開(kāi)關(guān)磁阻電機目前主要應用在客車(chē)中。而從中國不同種類(lèi)新能源汽車(chē)驅動(dòng)電機的應用來(lái)看,目前交流異步感應電機和開(kāi)關(guān)磁阻電機主要應用于新能源商用車(chē),特別是新能源客車(chē),開(kāi)關(guān)磁阻電機的實(shí)際裝配應用較少;永磁同步電機主要應用于新能源乘用車(chē)。
圍繞驅動(dòng)系統的主要競爭主軸就是高效化,小型輕量化以及成本降低。許多制造商都試圖通過(guò)整個(gè)驅動(dòng)系統來(lái)實(shí)現這些目標,而不是依靠諸如電機、逆變器或減速器的單個(gè)單元。
電動(dòng)汽車(chē)電驅系統輕量化 小型化發(fā)展趨勢及實(shí)現路徑
2016年后本田混合動(dòng)力車(chē)(HEV)上采用的全新結構驅動(dòng)電機。與傳統的驅動(dòng)電機相比,在保持相同輸出和扭矩的情況下,體積和重量分別減少了大約23%。因此,包括逆變器和減速器在內的i-MMD驅動(dòng)系統的小型化成為可能?，F行雅閣的HEV款中采用的2電機驅動(dòng)系統(電機與發(fā)動(dòng)機),與使用常規電機相比,高度縮減了9.2%,寬度縮減了9.7%。
增加減速比成為趨勢
單級變速箱造成電動(dòng)機產(chǎn)生的扭矩輸出一氣呵成,也許不間斷的動(dòng)力輸出對起步加速有利,但卻不利于車(chē)輛的經(jīng)濟性與舒適性。尤其是為追求性能采用高轉速電動(dòng)機的Model S,它配置的高轉電動(dòng)機功耗較大,并且單級變速箱一擋大齒比,造成車(chē)輛巡航狀態(tài)也處于較高的轉速臨界點(diǎn),經(jīng)濟性不高。
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目前大多采用單擋減速方案的原因也主要是因為電機的特性與內燃機不同,驅動(dòng)電機一般具有低速恒轉矩和高速恒功率的特性,在很低的轉速下就能產(chǎn)生很大的扭矩,不像內燃機車(chē)需要減速增扭來(lái)起步。
然而采用單擋減速器時(shí),純電動(dòng)乘用車(chē)的動(dòng)力性能完全取決于驅動(dòng)電機,對驅動(dòng)電機性能的要求較高,即要求驅動(dòng)電機既能在恒轉矩區提供較高的驅動(dòng)轉矩,又能在恒功率區提供較高的轉速,以滿(mǎn)足車(chē)輛加速、爬坡與高速行駛的要求。
當電動(dòng)汽車(chē)的速度到達極限之后沒(méi)有提升空間,所以的速度受到制約,高速經(jīng)濟性不高。同時(shí),采用單擋減速器不利于高電驅動(dòng)總成系統的效率,這是因為單一傳動(dòng)比通常無(wú)法同時(shí)兼顧純電動(dòng)乘用車(chē)的動(dòng)力性和經(jīng)濟性,行駛過(guò)程中驅動(dòng)電機多數情況下無(wú)法處于高效率工作點(diǎn),尤其是在最高或最低車(chē)速以及低負荷條件下,驅動(dòng)電機效率一般會(huì )降至 60-70%以下,嚴重浪費了車(chē)載電能而減少續駛里程。
電動(dòng)汽車(chē)電驅系統輕量化 小型化發(fā)展趨勢及實(shí)現路徑
機械零件具備優(yōu)勢的廠(chǎng)商則是將減速器作為了強項。例如,舍弗勒(Schaeffler)公司,在三位一體的驅動(dòng)系統中使用了減速比約為15的高速減速器。其他公司的減速器一般減速比約為10,即使高速也最多13左右。減速比越高,作為系統越容易提高轉矩。因此,與減速比為10左右的驅動(dòng)系統相比,能夠在利用高速旋轉的小型電動(dòng)機的情況下獲得相同的扭矩,也就是說(shuō),實(shí)現了小型化。
驅動(dòng)電機小型化的實(shí)現路徑
1、提高永磁電機功率密度
國際上經(jīng)過(guò)多年的實(shí)踐,從提高功率密度和轉矩密度的角度考慮,采用稀土永磁作為電機的磁性材料是必然選擇。由于目前大部分稀土均產(chǎn)自中國,而且儲量也是世界第一,因此我國在車(chē)用永磁電機方面具有明顯的資源優(yōu)勢。
電動(dòng)汽車(chē)電驅系統輕量化 小型化發(fā)展趨勢及實(shí)現路徑
由于近年來(lái)我國已將稀土類(lèi)元素列為戰略資源,并且進(jìn)行了嚴格的出口限制,這直接導致了日本對稀土材料永磁電機的擔心,在日本《下一代汽車(chē)戰略2010》中,已提出研發(fā)替代稀土永磁原材料的電機技術(shù)。美國在其新一代電力電子技術(shù)計劃中也在尋求可替代稀土永磁體的技術(shù)方案,但目前尚未找到較好的辦法。
2、增加線(xiàn)圈的占積率
為了實(shí)現電機小型化,本田增加了繞線(xiàn)的占積率(空間中銅的比例),使定子變小。通過(guò)使用大截面的方形導線(xiàn)作為線(xiàn)圈,使得占積率達到了60%。 在傳統的電動(dòng)機中,使用薄的圓形線(xiàn)圈,占積率一般只能達到48%。
電動(dòng)汽車(chē)電驅系統輕量化 小型化發(fā)展趨勢及實(shí)現路徑
為了使定子小型化,線(xiàn)圈使用截面積大的方形導線(xiàn)。與傳統的圓形線(xiàn)圈相比,方形導線(xiàn)可使占積率從48%增加到60%。但是,由于和圓線(xiàn)相比方線(xiàn)變粗,導體(銅)中的“過(guò)電流損失”會(huì )增大。通常通過(guò)增大定子的槽寬度或減小每個(gè)線(xiàn)圈的厚度來(lái)減小過(guò)電流損耗。
3、拓寬回饋制動(dòng)高效區
與傳動(dòng)燃油發(fā)動(dòng)機汽車(chē)配置變速箱以擴大發(fā)動(dòng)機工作區間類(lèi)似,電驅動(dòng)系統也正在通過(guò)不斷引入變速結構來(lái)實(shí)現對電機工作區間的調節,使兩者能夠在效率更高的區域更好地配合工作。
電動(dòng)汽車(chē)電驅系統輕量化 小型化發(fā)展趨勢及實(shí)現路徑
回饋制動(dòng)是混合動(dòng)力機電一體化技術(shù)的一個(gè)基本特點(diǎn)。伴隨著(zhù)混合度要求的提升,相應的,回饋制動(dòng)范圍的需求也會(huì )越來(lái)越大。采用回饋高校的電機、適當的變速系統和控制策略,可以使回饋制動(dòng)的允許范圍適應更多工況,使整車(chē)節能更加有效,延長(cháng)續駛里程。
4、縮短線(xiàn)圈末端
為了實(shí)現小型化,本田同時(shí)還縮短了從定子突出的線(xiàn)圈部分(“線(xiàn)圈末端”)。本田技術(shù)人員認為線(xiàn)圈末端部分“對電機工作沒(méi)有貢獻”。
為了縮短線(xiàn)圈末端,采用了新的繞線(xiàn)結構方法。首先,將矩形線(xiàn)圈塑形成U字形,以形成“并列分割線(xiàn)圈”。接下來(lái),將該分割線(xiàn)圈從定子鐵心的軸方向插入。之后,將插入側以及對側伸出的線(xiàn)圈前端焊接在一起而形成線(xiàn)圈。
電動(dòng)汽車(chē)電驅系統輕量化 小型化發(fā)展趨勢及實(shí)現路徑
新的繞線(xiàn)工藝,需要投資新的制造設備。與傳統工藝相比,新工藝不需要繩子捆綁,也不需要將線(xiàn)圈末端壓扁,從而更易于自動(dòng)化。由此實(shí)現高效率大批量生產(chǎn),成本也能降低?；趯ξ磥?lái)電動(dòng)汽車(chē)需求大幅增長(cháng)的預期,本田采取了這樣的具備大批量生產(chǎn)優(yōu)勢的工藝。
5、采用低成本易采購的電磁鋼板
還有一點(diǎn)創(chuàng )新就是考慮到驅動(dòng)電機產(chǎn)量的增加,定子采用了低成本易采購的電磁鋼板。一般來(lái)說(shuō),定子是通過(guò)堆疊多層薄磁鋼片制成的。然而,薄的電磁鋼片制造難度大且價(jià)格昂貴。為了降低成本,本田最終使用了比常規電機更厚的電磁鋼板。傳統產(chǎn)品的厚度為0.25mm,但本田采用的厚度為0.3mm,這個(gè)厚度流通量很大,不但便宜,而且易于采購。
通過(guò)SiC功率元件實(shí)現逆變器的小型化
將電機、減速箱,逆變器3個(gè)同時(shí)安裝到車(chē)輪內的話(huà),尺寸還是太大。即使將逆變器安裝在車(chē)體側的場(chǎng)合,逆變器的數量會(huì )隨著(zhù)電機數量的增加而增加,因此對小型化的需求還是強烈。換句話(huà)說(shuō),逆變器的小型化是加速電動(dòng)化的關(guān)鍵。
電動(dòng)汽車(chē)電驅系統輕量化 小型化發(fā)展趨勢及實(shí)現路徑
電動(dòng)汽車(chē)逆變器用于控制汽車(chē)主電機為汽車(chē)運行提供動(dòng)力,IGBT功率模塊是電動(dòng)汽車(chē)逆變器的核心功率器件,其驅動(dòng)電路是發(fā)揮IGBT性能的關(guān)鍵電路。驅動(dòng)電路的設計與工業(yè)通用變頻器、風(fēng)能太陽(yáng)能逆變器的驅動(dòng)電路有更為苛刻的技術(shù)要求,其中的電源電路受到空間尺寸小、工作溫度高等限制,面臨諸多挑戰。
作為逆變器小型化的王牌集聚了汽車(chē)行業(yè)眾多期待的產(chǎn)品就是SiC(碳化硅)功率器件。與現有車(chē)載逆變器中使用的Si功率器件相比,逆變器的功率損耗可以顯著(zhù)降低到一半一下。損耗減小,即發(fā)熱量減少,由此可以減小逆變器尺寸。
電動(dòng)汽車(chē)電驅系統輕量化 小型化發(fā)展趨勢及實(shí)現路徑
能夠發(fā)揮SiC功率器件優(yōu)勢的逆變器和驅動(dòng)系統的相關(guān)研究和開(kāi)發(fā)正在蓬勃發(fā)展。例如,芝浦工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)科專(zhuān)門(mén)研究電機技術(shù)與機電一體化技術(shù)的教授赤津観先生的研究團隊,就試做了用于逆變器的小型SiC功率模塊。
在電動(dòng)汽車(chē)中,逆變器將直流動(dòng)力源轉變?yōu)榻涣鬏敵鲵寗?dòng)三相電機進(jìn)而將電能轉變成機械能驅動(dòng)汽車(chē)運行。它是整個(gè)電驅動(dòng)系統的核心部分,因此它控制性能的好壞直接關(guān)系到驅動(dòng)電機能否可靠、高效的運行。
電動(dòng)汽車(chē)電驅系統輕量化 小型化發(fā)展趨勢及實(shí)現路徑
下一代產(chǎn)品將以SiC逆變器為前提去思考設計。如果能維持現有的SiC功率元件的降價(jià)步伐,則這一產(chǎn)品優(yōu)勢明顯,是完全可以利用的,由此,可以預見(jiàn)2020年后,車(chē)載用途上大規模使用SiC功率器件,逆變器以及驅動(dòng)系統的小型化將會(huì )不斷推進(jìn)。
輪轂電機成為可見(jiàn)現實(shí)
業(yè)界很多人將輪轂電機看作未來(lái)新能源汽車(chē)驅動(dòng)解決方案,其最大的特點(diǎn)就是將驅動(dòng)、傳動(dòng)和制動(dòng)裝置都整合到輪轂內,省略了離合器、變速器、傳動(dòng)軸、差速器、分動(dòng)器等傳動(dòng)部件,由于輪轂電機具備單個(gè)車(chē)輪獨立驅動(dòng)的特性,因此無(wú)論是前驅、后驅還是四驅形式,它都可以比較輕松地實(shí)現。
電動(dòng)汽車(chē)電驅系統輕量化 小型化發(fā)展趨勢及實(shí)現路徑
目前,這項技術(shù)已經(jīng)被多種新能源車(chē)型應用,但尚未大規模產(chǎn)業(yè)化。這種技術(shù)一旦實(shí)現產(chǎn)業(yè)化,將對現有的電動(dòng)汽車(chē)傳動(dòng)系統造成顛覆。
驅動(dòng)系統小型輕量化最前沿的技術(shù)就是輪轂電機(以下稱(chēng)IWM)成為可見(jiàn)現實(shí)。IWM有很多優(yōu)點(diǎn)。例如,將發(fā)動(dòng)機或電機的驅動(dòng)力傳輸給到車(chē)輪的傳輸機構可以省略,使得驅動(dòng)效率提升與車(chē)輛空間擴大成為可能。
輪轂電機對整車(chē)底盤(pán)平臺有重大影響,若想輪轂電機有效地應用在電動(dòng)汽車(chē)上,整車(chē)廠(chǎng)必須做相應改變,但底盤(pán)平臺的開(kāi)發(fā)費用一般需要幾十億元,成本過(guò)高,一般整車(chē)廠(chǎng)很難接受。如果有車(chē)廠(chǎng)開(kāi)發(fā)出適合輪轂電機搭載的底盤(pán)平臺,才會(huì )顯示出輪轂電機的優(yōu)越性,現在只是體現了輪轂電機單體表面上的優(yōu)越性。
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在集成方面,如果要搭配輪轂電機,整車(chē)要改進(jìn)懸架參數來(lái)匹配,這并非技術(shù)瓶頸,在我們把燃油車(chē)改成電動(dòng)汽車(chē)時(shí),由于簧上質(zhì)量加重,懸架進(jìn)行了調整,那么在應用輪轂電機時(shí),簧下質(zhì)量加重也需要調整這一部分。輪轂電機的開(kāi)發(fā)商和車(chē)廠(chǎng)一定要配合來(lái)做這件事,這樣有助于發(fā)揮優(yōu)點(diǎn),克服缺點(diǎn)。
加入車(chē)載充電器功能
電動(dòng)汽車(chē)正在蓬勃發(fā)展,電動(dòng)汽車(chē)的設計也不斷進(jìn)行完善,相比于傳統汽車(chē)的零部件,電動(dòng)汽車(chē)的電子設備更多,電力代替燃油成為動(dòng)力驅動(dòng)來(lái)源,這就對整個(gè)電子動(dòng)力系統的零部件提出嚴苛的挑戰。
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與其往汽車(chē)里加載更多的充電技術(shù),倒不如把電動(dòng)動(dòng)力總成本身變成一個(gè)“充電器”。換而言之,就是改造電機和逆變器(用于直流電和交流電之間的轉換),使其能夠支持充電任務(wù)。系統中唯一額外加載的部件是直流變換器,它的作用是確保電源始終以最佳電壓水平流向蓄電池。在用交流充電時(shí),充電樁供給的電流經(jīng)電動(dòng)機流入逆變器,在逆變器中轉換成直流電流后再輸入蓄電池。
電動(dòng)汽車(chē)電驅系統輕量化 小型化發(fā)展趨勢及實(shí)現路徑
德國大陸集團,甚至還開(kāi)發(fā)了一套具備充電功能的驅動(dòng)系統,除了電機,減速箱與逆變器,還集成了充電電路。此電路由用于鑒別AC / DC的鑒別電路、電流路徑的開(kāi)關(guān)電路,噪音抑制電路等回路構成,利用此附加電路,與逆變器以及另行準備的DC-DC轉換器,實(shí)現為車(chē)載二次電池充電。
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此外,交流充電將不再受車(chē)載充電器所限制。在交流充電基礎設施條件允許的情況下,該系統可以以高達43千瓦的速率給蓄電池充電,只需充電十分鐘,汽車(chē)就可續航50公里。同時(shí),搭載大陸集團的新系統后,電動(dòng)汽車(chē)可使用400伏直流快速充電樁,一次充電十分鐘,續航里程可長(cháng)達150公里。同樣充電十分鐘,搭載更大容量蓄電池的高檔車(chē)可連接800伏直流充電樁,使續航里程到達300公里。這項技術(shù)已經(jīng)讓充電時(shí)間非常接近于發(fā)動(dòng)機汽車(chē)的加油時(shí)間。
