汽車電驅(qū)動系統(tǒng)技術(shù)未來發(fā)展趨勢及關(guān)鍵技術(shù)分析
2022-10-26 13:51:39??????點擊：
一般來說，電驅(qū)動系統(tǒng)包含了電機(jī)、電機(jī)控制器、電機(jī)驅(qū)動器和總成等。目前汽車電機(jī)有三個發(fā)展方向：異步電機(jī)、永磁同步電機(jī)，和開關(guān)磁阻電機(jī)。由于電機(jī)主要是由外殼、定子、轉(zhuǎn)子、軸承、端蓋等部分組成，其中釘子是硅鋼片和銅線，轉(zhuǎn)子是硅鋼片嵌的磁鋼，所以電機(jī)的價格是比較透明的，主要成本就是鋁、銅線、硅鋼片等原材料成本。也就是說，實現(xiàn)相同的目標(biāo)功率，如果電機(jī)設(shè)計更加合理，使用材料更省的話，廠商制造的電機(jī)成本就更低，相應(yīng)的就更有競爭力。
但電機(jī)控制器不一樣，電機(jī)控制器除了有MCU、功率模塊等硬件成本之外，還包含軟件在內(nèi)，因此，其溢價相對來說會更高一些。目前博世、博格華納、大陸、日本電產(chǎn)等國際供應(yīng)商有布局，弗迪動力、英博爾、匯川技術(shù)、陽光電動力、聯(lián)合電子、中車時代電氣巨一動力等國內(nèi)供應(yīng)商也出貨。
業(yè)內(nèi)人士預(yù)計未來電機(jī)電控行業(yè)應(yīng)該會演化成，供應(yīng)商提供硬件和底層軟件，主機(jī)廠商自己做應(yīng)用層、軟件及功能方面的開發(fā)。因為供應(yīng)商在原材料方面的議價能力、物流、質(zhì)量管控和成本控制方面可以做得更好。主機(jī)廠商如果裝機(jī)量沒達(dá)到一定規(guī)模的話，自己開發(fā)的意義并不大。
電驅(qū)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢
目前電動汽車的整車要求是高安全性、高性能、低電耗、低成本、小尺寸和輕量化。相應(yīng)地電驅(qū)系統(tǒng)也需要配合汽車的發(fā)展趨勢，因此，未來電驅(qū)動系統(tǒng)的發(fā)展方向?qū)嵌嗪弦桓叨燃伞⒏邏夯⒏吖β拭芏取⒏甙踩燃墶⒏咝詢r比、低噪音和高效率。
首先，集成化是必然的趨勢，將許多零件或者功能件放在一起可以節(jié)省空間，而且部分零部件可以公用。不過，目前還沒有一個特別優(yōu)秀的集成方案，大部分的供應(yīng)商都還摸索前進(jìn)。未來到底是做三合一、六合一、或者八合一，或者將DCDC、OBC等集成到電池包內(nèi)等集成方案都是所有供應(yīng)商都在考慮的事情。
其次是高壓化趨勢，已經(jīng)有不少汽車廠商轉(zhuǎn)向了800V平臺，800V平臺帶來的好處是可以大幅縮短充電時間，緩解里程焦慮。同時帶來的挑戰(zhàn)也不少，由于電壓升高，充電速度更快，有些元器件需要重新開發(fā)、電池包需要4C以上充電倍率、對電機(jī)導(dǎo)線的絕緣漆材料和厚度有更高的要求，同時對絕緣紙（銅線和硅鋼片之間的介質(zhì)）和安全距離也提出了更高的要求。這些要求會帶來零部件的升級，從而使得電機(jī)成本上升。此外，由于充電功率的升高會帶來電流的提升和溫度的提高，所以800V電機(jī)大部分供應(yīng)商都會選擇使用油冷技術(shù)。油冷技術(shù)的具有均勻散熱特點及更高的散熱效率。
三是高功率密度趨勢，美國能源部旗下的U.S. DRIVE在2017年就提出了一個電動汽車發(fā)展2025年路線圖規(guī)劃。在該規(guī)劃中，他們給電機(jī)和電控的發(fā)展定了一個目標(biāo)，那就是到2025年時，電機(jī)控制器的效率不能低于98%；功率密度要達(dá)到100kW/L；成本要降到2.7美元/kW。電機(jī)的效率不能低于97%；功率密度要達(dá)到50kW/L或5.7kW/kg；成本要低于3.3美元/kW。
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表1：U.S. DRIVE發(fā)布的電機(jī)控制器和電機(jī)的目標(biāo)規(guī)劃。（數(shù)據(jù)來源：U.S. DRIVE，電子發(fā)燒友制表）
我們可以清楚地看到提升最大的當(dāng)屬功率密度，功率密度有兩個數(shù)值，一個是相對于體積的，一個是相對于重量的。汽車用的電機(jī)更加側(cè)重于功率體積比，因為體積涉及到汽車的有效空間利用和乘客的體驗。電機(jī)控制器的功率密度從2020年的13.4kW/L提升到了100Kw/L，提升了7.46倍。電機(jī)的功率體積比功率密度則提升了8.77倍。
也就是說功率密度將會成為未來電機(jī)控制器和電機(jī)設(shè)計中一個非常重要的指標(biāo)。為什么功率密度會受到如此重視？因為高功率密度的電機(jī)可以讓電機(jī)本體的體積更小，重量更輕，效率更高。
四是高安全等級，由于電驅(qū)動系統(tǒng)集成的功能越來越多，零部件也越來越多，相應(yīng)的其安全等級的要求也會變得更高。
此外，高性價比、高電磁兼容性和低噪音也是未來電驅(qū)系統(tǒng)的發(fā)展方向。那么，為了實現(xiàn)這些發(fā)展趨勢，需要哪些關(guān)鍵技術(shù)的支持呢？
電驅(qū)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析
要想順利實現(xiàn)電驅(qū)系統(tǒng)的發(fā)展目標(biāo)，需要一些關(guān)鍵技術(shù)的支持，比如新構(gòu)型集成創(chuàng)新、800V電驅(qū)技術(shù)、電驅(qū)系統(tǒng)NVH提升技術(shù)、電磁兼容正向設(shè)計、先進(jìn)的熱管理技術(shù)、新型電機(jī)、新型冷卻技術(shù)、寬禁帶半導(dǎo)體等。
首先是新構(gòu)型集成創(chuàng)新，除了熱門的三合一電驅(qū)系統(tǒng)，現(xiàn)在還涌現(xiàn)出了多合一，兩檔雙電機(jī)等新的構(gòu)型設(shè)計，同時在集成深度上也從早期的物理集成轉(zhuǎn)向了更深層次的電子電氣功能集成。不過，目前還沒有統(tǒng)一的集成解決方案，各個供應(yīng)商都在不斷摸索前進(jìn)，相信經(jīng)過市場的檢驗最終會探索出更加優(yōu)秀的解決方案。
二是800V高壓平臺，該平臺可以大幅縮減汽車的充電時間，而且電壓平臺的提升有助于提升電機(jī)/電驅(qū)系統(tǒng)比功率。
三是電驅(qū)系統(tǒng)NVH提升技術(shù)，NVH（NoiseVibrationHarsheness）通常被用來描述汽車噪聲、振動及汽車的乘坐舒適性問題。根據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計，汽車大約有1/3的故障是由汽車NVH問題引起的，而且還會直接影響用戶的駕乘感受。因此需要在設(shè)計體系、設(shè)計手段等方面的全面提升來進(jìn)一步提升電驅(qū)系統(tǒng)的技術(shù)水平。
四是電磁兼容正向設(shè)計，由于汽車電動化、智能化和網(wǎng)聯(lián)化的趨勢日益明顯，給汽車電磁兼容帶來了新的挑戰(zhàn)，加上電動汽車的產(chǎn)品迭代速度加快，新產(chǎn)品開發(fā)周期縮短，傳統(tǒng)以整改為主的電磁兼容開發(fā)已經(jīng)無法滿足現(xiàn)有需求，電磁兼容正向設(shè)計的重要性變得更加重要。
五是先進(jìn)的熱管理技術(shù)，傳統(tǒng)的熱管理技術(shù)是基于監(jiān)測電機(jī)、逆變器上的溫度，來規(guī)劃冷卻策略，這存在一定的滯后性，不能反映電動汽車劇烈變化的工況對繞組等部件溫升的影響，大負(fù)載工況下仍存在過溫失效的風(fēng)險，冷卻系統(tǒng)需要較大冗余。而通過構(gòu)建電驅(qū)系統(tǒng)關(guān)鍵部件高精度溫度預(yù)測模型，精益化設(shè)計熱管理策略，可根據(jù)負(fù)載工況實時預(yù)測溫度變化趨勢，動態(tài)調(diào)節(jié)系統(tǒng)冷卻需求和輸出能力，控制合理工作溫度，同時降低冷卻能耗，有助于整車優(yōu)化續(xù)航里程，提升用戶體驗。
六是新型電機(jī)，要想實現(xiàn)更高的效率和更高的功率密度，一般采用兩種方法來實現(xiàn)，一是提高電機(jī)的速度，把電機(jī)設(shè)計成高速電機(jī)；二是設(shè)計新型電機(jī)，比如扁線電機(jī)等。而將電機(jī)轉(zhuǎn)速提高到18000rpm，甚至20000rpm以上，對電機(jī)軸承、沖片強(qiáng)度、動平衡要求會更高。
七是新型冷卻技術(shù)，由于電驅(qū)系統(tǒng)向高功率密度、高轉(zhuǎn)速方向發(fā)展，定子繞組和磁鋼發(fā)熱對系統(tǒng)冷卻能力提出了更大挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)機(jī)殼水冷已經(jīng)逐漸難以滿足需求，開發(fā)新型冷卻技術(shù)勢在必行。因此油冷技術(shù)浮出水面了。當(dāng)前熱門的油冷技術(shù)通過定子噴淋，轉(zhuǎn)子甩油等方式，可以兼顧低速大轉(zhuǎn)矩下的繞組溫升，及高速下的大功率下的磁鋼溫升，可提升電機(jī)持續(xù)輸出能力20%以上；同時還可以與減速器潤滑油路集成，實現(xiàn)多合一系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊化設(shè)計。當(dāng)然，針對噴淋油冷對定子槽冷卻不足和繞組端部冷卻不均的問題，可以考慮油水混合冷卻，繞組浸沒式冷卻等方案。
八是寬禁帶半導(dǎo)體，由于SiC器件具有低損耗、高頻、耐高壓、耐高溫、高效率等優(yōu)勢，可以提升電驅(qū)系統(tǒng)的效率。目前也已經(jīng)有不少企業(yè)推出相關(guān)的產(chǎn)品，比如羅姆、ST、英飛凌、Cree等都有推出SiC產(chǎn)品。并且SiC的產(chǎn)品在新能源汽車中的應(yīng)用案例已經(jīng)不少。
結(jié)語
隨著電動汽車的發(fā)展，其需要用到的各項技術(shù)也在不斷發(fā)展，目前國內(nèi)電動汽車供應(yīng)鏈很多都是新進(jìn)入的供應(yīng)商，他們有些以前是做工業(yè)產(chǎn)品，有些是做消費類產(chǎn)品，由于看到了汽車產(chǎn)業(yè)改變賽道的發(fā)展前景而紛紛進(jìn)入。也正是由于他們的加入，讓電動汽車這個行業(yè)有了更多的新鮮血液，產(chǎn)品形態(tài)、技術(shù)發(fā)展有了更大的動力。
但電機(jī)控制器不一樣，電機(jī)控制器除了有MCU、功率模塊等硬件成本之外，還包含軟件在內(nèi)，因此，其溢價相對來說會更高一些。目前博世、博格華納、大陸、日本電產(chǎn)等國際供應(yīng)商有布局，弗迪動力、英博爾、匯川技術(shù)、陽光電動力、聯(lián)合電子、中車時代電氣巨一動力等國內(nèi)供應(yīng)商也出貨。
業(yè)內(nèi)人士預(yù)計未來電機(jī)電控行業(yè)應(yīng)該會演化成，供應(yīng)商提供硬件和底層軟件，主機(jī)廠商自己做應(yīng)用層、軟件及功能方面的開發(fā)。因為供應(yīng)商在原材料方面的議價能力、物流、質(zhì)量管控和成本控制方面可以做得更好。主機(jī)廠商如果裝機(jī)量沒達(dá)到一定規(guī)模的話，自己開發(fā)的意義并不大。
電驅(qū)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢
目前電動汽車的整車要求是高安全性、高性能、低電耗、低成本、小尺寸和輕量化。相應(yīng)地電驅(qū)系統(tǒng)也需要配合汽車的發(fā)展趨勢，因此，未來電驅(qū)動系統(tǒng)的發(fā)展方向?qū)嵌嗪弦桓叨燃伞⒏邏夯⒏吖β拭芏取⒏甙踩燃墶⒏咝詢r比、低噪音和高效率。
首先，集成化是必然的趨勢，將許多零件或者功能件放在一起可以節(jié)省空間，而且部分零部件可以公用。不過，目前還沒有一個特別優(yōu)秀的集成方案，大部分的供應(yīng)商都還摸索前進(jìn)。未來到底是做三合一、六合一、或者八合一，或者將DCDC、OBC等集成到電池包內(nèi)等集成方案都是所有供應(yīng)商都在考慮的事情。
其次是高壓化趨勢，已經(jīng)有不少汽車廠商轉(zhuǎn)向了800V平臺，800V平臺帶來的好處是可以大幅縮短充電時間，緩解里程焦慮。同時帶來的挑戰(zhàn)也不少，由于電壓升高，充電速度更快，有些元器件需要重新開發(fā)、電池包需要4C以上充電倍率、對電機(jī)導(dǎo)線的絕緣漆材料和厚度有更高的要求，同時對絕緣紙（銅線和硅鋼片之間的介質(zhì)）和安全距離也提出了更高的要求。這些要求會帶來零部件的升級，從而使得電機(jī)成本上升。此外，由于充電功率的升高會帶來電流的提升和溫度的提高，所以800V電機(jī)大部分供應(yīng)商都會選擇使用油冷技術(shù)。油冷技術(shù)的具有均勻散熱特點及更高的散熱效率。
三是高功率密度趨勢，美國能源部旗下的U.S. DRIVE在2017年就提出了一個電動汽車發(fā)展2025年路線圖規(guī)劃。在該規(guī)劃中，他們給電機(jī)和電控的發(fā)展定了一個目標(biāo)，那就是到2025年時，電機(jī)控制器的效率不能低于98%；功率密度要達(dá)到100kW/L；成本要降到2.7美元/kW。電機(jī)的效率不能低于97%；功率密度要達(dá)到50kW/L或5.7kW/kg；成本要低于3.3美元/kW。
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表1：U.S. DRIVE發(fā)布的電機(jī)控制器和電機(jī)的目標(biāo)規(guī)劃。（數(shù)據(jù)來源：U.S. DRIVE，電子發(fā)燒友制表）
我們可以清楚地看到提升最大的當(dāng)屬功率密度，功率密度有兩個數(shù)值，一個是相對于體積的，一個是相對于重量的。汽車用的電機(jī)更加側(cè)重于功率體積比，因為體積涉及到汽車的有效空間利用和乘客的體驗。電機(jī)控制器的功率密度從2020年的13.4kW/L提升到了100Kw/L，提升了7.46倍。電機(jī)的功率體積比功率密度則提升了8.77倍。
也就是說功率密度將會成為未來電機(jī)控制器和電機(jī)設(shè)計中一個非常重要的指標(biāo)。為什么功率密度會受到如此重視？因為高功率密度的電機(jī)可以讓電機(jī)本體的體積更小，重量更輕，效率更高。
四是高安全等級，由于電驅(qū)動系統(tǒng)集成的功能越來越多，零部件也越來越多，相應(yīng)的其安全等級的要求也會變得更高。
此外，高性價比、高電磁兼容性和低噪音也是未來電驅(qū)系統(tǒng)的發(fā)展方向。那么，為了實現(xiàn)這些發(fā)展趨勢，需要哪些關(guān)鍵技術(shù)的支持呢？
電驅(qū)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析
要想順利實現(xiàn)電驅(qū)系統(tǒng)的發(fā)展目標(biāo)，需要一些關(guān)鍵技術(shù)的支持，比如新構(gòu)型集成創(chuàng)新、800V電驅(qū)技術(shù)、電驅(qū)系統(tǒng)NVH提升技術(shù)、電磁兼容正向設(shè)計、先進(jìn)的熱管理技術(shù)、新型電機(jī)、新型冷卻技術(shù)、寬禁帶半導(dǎo)體等。
首先是新構(gòu)型集成創(chuàng)新，除了熱門的三合一電驅(qū)系統(tǒng)，現(xiàn)在還涌現(xiàn)出了多合一，兩檔雙電機(jī)等新的構(gòu)型設(shè)計，同時在集成深度上也從早期的物理集成轉(zhuǎn)向了更深層次的電子電氣功能集成。不過，目前還沒有統(tǒng)一的集成解決方案，各個供應(yīng)商都在不斷摸索前進(jìn)，相信經(jīng)過市場的檢驗最終會探索出更加優(yōu)秀的解決方案。
二是800V高壓平臺，該平臺可以大幅縮減汽車的充電時間，而且電壓平臺的提升有助于提升電機(jī)/電驅(qū)系統(tǒng)比功率。
三是電驅(qū)系統(tǒng)NVH提升技術(shù)，NVH（NoiseVibrationHarsheness）通常被用來描述汽車噪聲、振動及汽車的乘坐舒適性問題。根據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計，汽車大約有1/3的故障是由汽車NVH問題引起的，而且還會直接影響用戶的駕乘感受。因此需要在設(shè)計體系、設(shè)計手段等方面的全面提升來進(jìn)一步提升電驅(qū)系統(tǒng)的技術(shù)水平。
四是電磁兼容正向設(shè)計，由于汽車電動化、智能化和網(wǎng)聯(lián)化的趨勢日益明顯，給汽車電磁兼容帶來了新的挑戰(zhàn)，加上電動汽車的產(chǎn)品迭代速度加快，新產(chǎn)品開發(fā)周期縮短，傳統(tǒng)以整改為主的電磁兼容開發(fā)已經(jīng)無法滿足現(xiàn)有需求，電磁兼容正向設(shè)計的重要性變得更加重要。
五是先進(jìn)的熱管理技術(shù)，傳統(tǒng)的熱管理技術(shù)是基于監(jiān)測電機(jī)、逆變器上的溫度，來規(guī)劃冷卻策略，這存在一定的滯后性，不能反映電動汽車劇烈變化的工況對繞組等部件溫升的影響，大負(fù)載工況下仍存在過溫失效的風(fēng)險，冷卻系統(tǒng)需要較大冗余。而通過構(gòu)建電驅(qū)系統(tǒng)關(guān)鍵部件高精度溫度預(yù)測模型，精益化設(shè)計熱管理策略，可根據(jù)負(fù)載工況實時預(yù)測溫度變化趨勢，動態(tài)調(diào)節(jié)系統(tǒng)冷卻需求和輸出能力，控制合理工作溫度，同時降低冷卻能耗，有助于整車優(yōu)化續(xù)航里程，提升用戶體驗。
六是新型電機(jī)，要想實現(xiàn)更高的效率和更高的功率密度，一般采用兩種方法來實現(xiàn)，一是提高電機(jī)的速度，把電機(jī)設(shè)計成高速電機(jī)；二是設(shè)計新型電機(jī)，比如扁線電機(jī)等。而將電機(jī)轉(zhuǎn)速提高到18000rpm，甚至20000rpm以上，對電機(jī)軸承、沖片強(qiáng)度、動平衡要求會更高。
七是新型冷卻技術(shù)，由于電驅(qū)系統(tǒng)向高功率密度、高轉(zhuǎn)速方向發(fā)展，定子繞組和磁鋼發(fā)熱對系統(tǒng)冷卻能力提出了更大挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)機(jī)殼水冷已經(jīng)逐漸難以滿足需求，開發(fā)新型冷卻技術(shù)勢在必行。因此油冷技術(shù)浮出水面了。當(dāng)前熱門的油冷技術(shù)通過定子噴淋，轉(zhuǎn)子甩油等方式，可以兼顧低速大轉(zhuǎn)矩下的繞組溫升，及高速下的大功率下的磁鋼溫升，可提升電機(jī)持續(xù)輸出能力20%以上；同時還可以與減速器潤滑油路集成，實現(xiàn)多合一系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊化設(shè)計。當(dāng)然，針對噴淋油冷對定子槽冷卻不足和繞組端部冷卻不均的問題，可以考慮油水混合冷卻，繞組浸沒式冷卻等方案。
八是寬禁帶半導(dǎo)體，由于SiC器件具有低損耗、高頻、耐高壓、耐高溫、高效率等優(yōu)勢，可以提升電驅(qū)系統(tǒng)的效率。目前也已經(jīng)有不少企業(yè)推出相關(guān)的產(chǎn)品，比如羅姆、ST、英飛凌、Cree等都有推出SiC產(chǎn)品。并且SiC的產(chǎn)品在新能源汽車中的應(yīng)用案例已經(jīng)不少。
結(jié)語
隨著電動汽車的發(fā)展，其需要用到的各項技術(shù)也在不斷發(fā)展，目前國內(nèi)電動汽車供應(yīng)鏈很多都是新進(jìn)入的供應(yīng)商，他們有些以前是做工業(yè)產(chǎn)品，有些是做消費類產(chǎn)品，由于看到了汽車產(chǎn)業(yè)改變賽道的發(fā)展前景而紛紛進(jìn)入。也正是由于他們的加入，讓電動汽車這個行業(yè)有了更多的新鮮血液，產(chǎn)品形態(tài)、技術(shù)發(fā)展有了更大的動力。
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