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中车株洲所郭淑英:下一代电驱动产品特征是集成模块定制化和低本高效

2019-01-20 14:12
来源: 盖世汽车

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  1月11-13日,中国电动汽车百人会论坛(2019)在北京钓鱼台国宾馆召开,中车集团株洲电力机车研究所首席专家郭淑英发表了主题演讲,演讲内容如下:

  尊敬的各位来宾,大家上午好!我报告的题目就是组委会给我的题目,“下一代电机驱动的关键技术”。

  在座的各位都是专家和同行,我们中车株洲所作为长期从而电机驱动系统研发的单位,我今天在这里跟大家分享一下对我们下一代电机驱动系统关键技术的思考和体会,不当之处请批评指正。

  报告分三个部分:

  电机驱动系统在整车当中的作用我们都知道,它的性能实际上决定了整车的性能,包括驾乘性能、动力性能以及它的续驶里程等等,正因为此,所以电机驱动系统和电池、电控一起就构成了电动汽车“三纵三横”技术体系之一的“三横”之一。我现在通过这张图来跟大家分享一下,这个图不是最新的,目前我们产品的特征和下一代,将近3-5年以后电机驱动系统是什么样子。

  目前的批量产品还是电机、电控和变速箱,基本上是采用这种分离器件,但是现在集成化的产品也都出来了。从这种开关器件来说,主要是以硅基为主的RGBT半导体器件,稀土永磁电机。现在我们看到这种趋势了,肯定是朝着一体化的方向发展,实际上海电驱动株洲研究所都有一体化的产品推出。下一代的开关器件肯定就是宽禁带半导体为主,因为它具有更高的开关频率、更高的耐电压和高温性能。驱动电机因为考虑到成本等等,肯定是朝着低重稀土、少稀土或者无稀土永磁电机这样一个技术方向发展。

  通过这些,可能将来下一代的产品会在体积、重量、成本,包括它的损耗方面有一个大大的减小,也就是说我们下一代电驱动产品特征应该是以集成化、模块化、定制化、新材料和新工艺的应用达到整车对电机驱动系统高效、高功率密度、高可靠和低成本这么一个要求。

  第二部分,关键技术。

  要使我们的电机驱动系统满足整车高效率、高性能、低成本、很好的驾乘性能这些要求,我们主要是应该在这些方面做一些工作。比如电机方面的NVH技术、热管理、效率区间优化、高性能材料的应用。在控制器方面,器件、模块,包括电磁兼容、功能安全、健康管理、下一代宽禁带半导体技术等方面来进行攻关。

  下面我先从芯片开始讲有哪些技术。目前下一代的IGBT开关器件技术特征就是采用精细沟槽,技术路线各有不同,比如中车、英飞凌。但是总的来说,下一代的开关器件特征就是在开关损耗不增加的情况下,可以大大提高电流密度。下一代宽禁带半导体碳化硅芯片技术,我们都知道碳化硅的特点是非常明显的,但是要是真正达到能够开发出来高可靠、大电流的芯片,我们还有很多技术需要解决,比如非平衡态碳化硅栅氧生长技术、沟槽刻蚀工艺等等工艺技术,只有通过这些我们才能够开发出高可靠、大电流的芯片。目前国内芯片的电流相对比较小,是50安培左右,还要通过串联来使用。

  模块的封装技术,在模块的封装技术方面有像纳米银烧结、高温材料的应用、低集成电感模块的结构设计、模块内部芯片的均流设计等等技术,通过这些攻关我们要达到使模块的热阻更低、可靠性更高,充分发挥出碳化硅器件的高温性能,避免过电压,满足高频应用的需求,提高可靠性等等。模块封装技术,双面焊接、双面水冷、高可靠组装技术,这些都是需要我们攻关的。总的目的是要达到等效热阻的降低,杂散电感比传统模块大概要降低10%左右,还要达到高峰值电流的输出能力,高功率和温度下的循环寿命这么一些个目的。

  IGBT智能驱动技术。可以通过Dic/dt负反馈闭环控制、通过开关过程的阶段解耦控制,来实现IGBT开关功耗降低、过电压功耗降低,并且在较高的电流下能够可靠关断。同时要可以平衡高可靠性、低电磁干扰与高效率之间的矛盾。

  多变流器集成技术。特别是在商用车上,中车开发的有八合一的产品,把DCDC所有的电源集成到一起去,带来的好处是功率密度高、连接器少、可靠性高、成本低、维护简单。但是带来的问题也是值得我们关注的,比如说多控制单元如何协同控制,电磁兼容和热管理如何综合考虑,这都是我们下面需要关注的问题。

  功能安全。有转矩安全、高压安全、温度的安全,以转距安全为例,功能安全就是当电子电器系统功能异常,发生意外的时候不至于对人和环境造成伤害。要解决这个问题,现在大家都要通过ISO26260,以转距安全为例,主要是以EGAS三层架构,转距安全算法、关断路径自检策略、信号有效性判断策略等等,才能有效做到这一点。

  电磁兼容技术。如何使我们的系统能够在保证性能的前提下,它能够达到满足客户的要求。我们要做哪些工作?高低压耦合解耦技术、电磁兼容仿真、滤波器的模块化设计,这些都是我们需要解决的问题。

  健康管理技术。在健康管理方面,我们主要技术目标就是要使这个产品变定时维护改为状态维护,使运行成本降低,我们做到故障可以预判,降低现场的故障率,做到这些我们中车在商用车上其实也做了很多工作,利用大数据分析,通过故障预警系统、健康评估系统、可靠性评估系统,经过大数据分析平台,通过中车自主研发的云智通平台,能够现场预判故障,并且能够做到故障的快速定位,这样的话能够保证产品的可靠运行和降低现场的故障率。

  电机设计。下一步我们对电机提出了更高功率密度、更高的效率、更低的成本这样一个要求。提高功率密度途径很多,其中比如说我们现在采用高速电机,我们采用巨型导体,提高槽满率,高速情况下转子的强度怎么样分析,包括损耗,还有热量的集中怎么样散出去,采用油冷还是采用定点冷却等等这些技术都是需要我们进行解决的。

  电机材料技术。提高电机功率密度和性能降低成本方面,材料的应用也是非常关键的,要降低电机的成本,现在永磁材料占比还是比较大的,下一步要开展低重稀土的使用这种永磁材料,重稀土的应用尽量减少。实际深我们在新能源汽车重点研发专项里面也有这个课题,有些单位正在做这个事情。另外就是耐电晕绝缘系统,这一点也很重要,下一代如果采用碳化硅、宽禁带半导体器件之后,它的开关频率比现在的开关频率要提高10倍、20倍左右,它的Dic/dt也会加大。这对我们的系统是一个严峻的考验,也就是说直接影响到电机绝缘系统的寿命,所以耐电绝缘系统的开发也是下一代的关键技术。为了降低成本,我们可以用铁氧体部分取代钕铁硼永磁材料。

  电机效率区间优化。我们可以通过能耗随转速、转距的变化来分配对电机的损耗进行分配,设计上进行分配,以使电机的高效区可以跟车辆经常运行的工况相吻合,不是在额定电效率很高,在中速区或者低速区很低,这是不符合车辆的运行习惯。

  电驱动系统NVH问题。包括我们要对电机自激励源进行建模,电机传递函数、电机NVH的系统分析、电机跟系统集成以后NVH的分析等等。

  轮毂电机设计。将来在一些特种车辆上它的用途还是很有前景的。要做好一个轮毂电机现在要解决的关键技术也还不少,特别是跟整车结合的问题。比如说像本身的电磁、结构、热三者耦合以后的优化设计,电动轮怎么集成,冷却、润滑、冻密封等等,基于差速协同控制的电动轮与整车匹配技术也是很关键的。

  三大件的集成。现在的产品有的是二合一的,电机电控二合一,电机和减速箱的二合一,也有电机、电控、减速箱的三合一,这是我们的终极目标。做到集成化以后可以降低成本、减小体积,提高系统的效率和它的功率密度,噪声也会降低。这个还会带来一些问题,比如说整个成壳体的铸造设计、怎么样冷却和润滑,特别是现在国内对减速箱设计和制造相对还有点弱,这方面还是要加强的。以上我跟大家分享了从器件到整个系统的集成方面下一代产品的关键技术。

  第三部分,典型产品。

  这个表格是国内外电控产品,单个控制器的产品(如图)。可能会有点挂一漏万,不一定很全面,我找了几个比较典型的。从功率体积密度和重量密度来看,我们跟国内外的差别不是太大的。下一代碳化硅控制器是一个最新的技术,比如说现在特斯拉采用的就是24只标准单模块,内部控制器采用激光焊接、银烧结技术。电装采用双面冷却,比Si产品见效80%。下面这个图是我们国内研发的,左边是电工所开发的样机,峰值功率85KW,37kW/L的的功率密度。右边是我们中车的样机,马上封装了,峰值功率135KW,30KW/L的功率密度。这是电机的对比,这些相比来说,国内外产品相差不是很大,国内、国外电机电控水平技术基本上是相当的。

  驱动总成的产品。左边两个是国外的两种产品,都是三合一的,右边两个是我们国内的三合一产品。我们可以看出来电机驱动系统一体化是未来的发展趋势,作为我们国内研发现状来说,电机、电控跟国外应该说差别不是太大,但是在变速箱、器件产业化进程方面我们都还要加把劲。

  中车株洲所电机驱动系统产品。我们是从2001年开始进入这个行业,上、中、下游的产业链还是比较完整的,去年我们所里电动汽车这一块的销售收入已经超过百亿,从上游来说,我们有IGBT传感器、减振和轻量化材料。中游有控制器、电机、控制总成、动力总成、传动总成、储能总成。下游有商用车的开发和应用。

  典型产品。IGBT产品现在的产品是采用第六代沟槽栅芯片,对标国外最先进的技术指标。接口规格都是一致的,汽车级的标准。现在已经建成年产50万只IGBT模块产品生产线,下面是产品的图片(如图),有750V,有1200V的。

  IGBT的驱动产品也是我们的特点,利用我们自己研发的模块,发射极寄生杂散电感Le的感应电压,实现dic/dt负反馈闭环控制,很好地发挥了模块用于驱动的集成优势,它带来的好处是开通损耗比传统降低了33%,关断损耗降低了45%,这个也是一个非常不错的东西。这是IGBT集成的组件产品。这是基于刚才讲的双面冷却的IGBT模块产品,建立起高密度控制器系统产品线。这是几个典型产品。

  从系统产品来说,电驱动产品产品系列是覆盖了从55KW-150KW,满足乘用车、商用车的动力平台的需求。现在产品累计销售对外的产品,除了我们自用的有10万余套,其中采用我们自主的IGBT的系统有一万多套,现在跟几个大的主车企,像一汽、东风、长安等订单产品也有两百多万台。下面是我们的典型产品。

  我的汇报就到这里,谢谢大家。

(文章来源:盖世汽车)

(责任编辑:DF381)

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