電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)小型化、輕量化、集成化漸成趨勢
隨著新能源電動(dòng)汽車市場越來越活躍,關(guān)于電動(dòng)汽車電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的一體化研究開始步入工程師的視野,通過將驅(qū)動(dòng)電機(jī)、逆變器,減速器三個(gè)部件一體化、集成化,可以實(shí)現(xiàn)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、利于整車布置。而將驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)安裝在車輪內(nèi)的輪轂電機(jī),更是進(jìn)一步推進(jìn)了電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的小型化和輕量化,雖然還處在產(chǎn)業(yè)化的前夜。
電動(dòng)汽車電驅(qū)系統(tǒng)輕量化 小型化發(fā)展趨勢及實(shí)現(xiàn)路徑
在電驅(qū)動(dòng)技術(shù)集成方面,初步的有“二合一”(電機(jī)集成減速器)方案;進(jìn)階方案則是“三合一”(電控+電機(jī)+減速器)方案,是目前研究的主要方向。
綜合來看,目前大多數(shù)企業(yè)只能做到“二合一”的電驅(qū)動(dòng)總成方案,但預(yù)計(jì)未來幾年內(nèi),三合一電驅(qū)動(dòng)總成方案將成為主流。
電動(dòng)汽車電驅(qū)系統(tǒng)輕量化 小型化發(fā)展趨勢及實(shí)現(xiàn)路徑
而從長遠(yuǎn)來看,電機(jī)、減速器、電機(jī)控制器、高壓分線盒、DC/DC、DC/AC、充電機(jī)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(jī)+減速器、電機(jī)控制器、充電機(jī)、直流變換器、高壓分線盒、部分整車控制器等都集成到一起,代表車型是寶馬i3。
電驅(qū)系統(tǒng)集成化的必要性分析
隨著新能源汽車技術(shù)的不斷發(fā)展,零部件集成化設(shè)計(jì)已經(jīng)成為必然趨勢。通過集成化設(shè)計(jì),一方面可以簡化主機(jī)廠的裝配,提高產(chǎn)品合格率;另一方面可以大規(guī)模縮減供應(yīng)商數(shù)量,還可以達(dá)到輕量化、節(jié)約成本等目的。
電動(dòng)汽車電驅(qū)系統(tǒng)輕量化 小型化發(fā)展趨勢及實(shí)現(xiàn)路徑
電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的集成化設(shè)計(jì)不僅可以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的小型化和輕量化以降低成本,還可以提高效率:如果將驅(qū)動(dòng)電機(jī)與逆變器集成一體,逆變器配置在驅(qū)動(dòng)電機(jī)旁,連接電機(jī)與逆變器的線束就可以縮短或者置換,由此,不僅減小了機(jī)構(gòu)的尺寸和重量,還降低了線束產(chǎn)生的能量損耗。
如博世,GKN Driveline,三菱電機(jī)和舍弗勒。不僅實(shí)現(xiàn)了逆變器與電機(jī)之間的連接配線縮短,尺寸更小,還降低了連接部位的電力損耗,提升了驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率。
再如,將驅(qū)動(dòng)電機(jī)與減速箱集成為一體,減速器齒輪的潤滑油和電機(jī)的冷卻油就可以共用,精簡了冷卻機(jī)構(gòu),可以實(shí)現(xiàn)小型化。
電動(dòng)汽車電驅(qū)系統(tǒng)輕量化 小型化發(fā)展趨勢及實(shí)現(xiàn)路徑
與國內(nèi)企業(yè)單純的“三合一”電驅(qū)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(jī)、電控、減速器及功率電子模塊等部件與傳統(tǒng)車橋相結(jié)合,形成一個(gè)高度集成化的電驅(qū)動(dòng)橋產(chǎn)品,使得整個(gè)電驅(qū)動(dòng)總成系統(tǒng)具備成本更低、體積更小、效率更高等優(yōu)勢。
國內(nèi)三合一電驅(qū)系統(tǒng)介紹
長安汽車
長安第二代電驅(qū)動(dòng)總成也是三合一方案,包含了電機(jī)、減速器與電控等集成,目前已經(jīng)開發(fā)完成。相比此前的總成,該電驅(qū)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(xù)航提升約5%。
電動(dòng)汽車電驅(qū)系統(tǒng)輕量化 小型化發(fā)展趨勢及實(shí)現(xiàn)路徑
今年4月17日,長安汽車和比亞迪汽車在重慶正式簽署了聯(lián)合開發(fā)電驅(qū)系統(tǒng)的合作框架協(xié)議,雙方旨在互補(bǔ)優(yōu)勢,達(dá)到在新能源汽車領(lǐng)域共贏的目的,并且針對目前新能源汽車集成化設(shè)計(jì)的趨勢,進(jìn)行電驅(qū)三合一產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、匹配、試驗(yàn)、生產(chǎn)等。據(jù)悉,合作的成果最快將于明年達(dá)到量產(chǎn)批準(zhǔn)狀態(tài),隨后搭載在長安某款車型上,推向市場。
上汽榮威
全新開發(fā)的EDS電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能耗優(yōu)化降低至業(yè)界領(lǐng)先的15kWh/百公里。電機(jī)起步實(shí)現(xiàn)超高扭矩,4.5秒0-50km起步加速度遠(yuǎn)超同級燃油車;結(jié)合iBooster電控制動(dòng)系統(tǒng),最大程度回收制動(dòng)能量。
電動(dòng)汽車電驅(qū)系統(tǒng)輕量化 小型化發(fā)展趨勢及實(shí)現(xiàn)路徑
純電動(dòng)SUV車型上汽榮威ERX5的EDS電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為85kW一體式電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。它是以匹配整車驅(qū)動(dòng)效率最優(yōu)為目標(biāo)開發(fā)的全新系統(tǒng)。這套EDS電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)集成了電力電子控制單元、高性能動(dòng)力電機(jī)和減速器。電力電子控制單元通過極短的高壓線束與三相永磁同步高性能動(dòng)力電機(jī)相連。
比亞迪
比亞迪將電機(jī)、減速器、電控作為一體設(shè)計(jì),打造了三合一電驅(qū)動(dòng)總成系統(tǒng),具有高度集成化、IGBT損耗小、高效區(qū)寬等諸多優(yōu)勢,滿足了A00、A0、A、B級等轎車對動(dòng)力性加速和爬坡的需求。
比亞迪“e平臺(tái)”,涵蓋電機(jī)、電控、變速器高速集成的三合一電驅(qū)動(dòng)總成,以及DC-DC、充電器和配電箱三合一的高壓系統(tǒng)等,電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到14000rpm。
電動(dòng)汽車電驅(qū)系統(tǒng)輕量化 小型化發(fā)展趨勢及實(shí)現(xiàn)路徑
驅(qū)動(dòng)總成綜合效率達(dá)到88%,最高效率達(dá)到91.9%,重量下降了35%,功率密度提升了40%,電機(jī)成本下降了40%。比亞迪元EV360電機(jī)峰值功率為160KW,峰值扭矩為310N·M。
NIO蔚來
EDS電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是電動(dòng)汽車的“心臟”,高性能電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、開發(fā)和集成,對研發(fā)團(tuán)隊(duì)的技術(shù)考驗(yàn)相當(dāng)大。XPT一體化集成的EDS電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),配備世界級銅轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機(jī)、獨(dú)特拓?fù)浼軜?gòu)設(shè)計(jì)的電機(jī)控制器和大扭矩齒輪箱。 高功率、大扭矩的動(dòng)力新組合,給予用戶澎湃動(dòng)力感受。
電動(dòng)汽車電驅(qū)系統(tǒng)輕量化 小型化發(fā)展趨勢及實(shí)現(xiàn)路徑
精進(jìn)電動(dòng)
精進(jìn)電動(dòng)自主研發(fā)的電機(jī)+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(qū)動(dòng)總成將實(shí)現(xiàn)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(xiàn),300Nm系列電機(jī)的轉(zhuǎn)速將提高到16,000轉(zhuǎn)以上。
電動(dòng)汽車電驅(qū)系統(tǒng)輕量化 小型化發(fā)展趨勢及實(shí)現(xiàn)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(qū)動(dòng),因?yàn)殚_車的時(shí)候從來不充電、充電的時(shí)候不開車。很多人說無線充電的時(shí)候,車一邊走、一邊充,現(xiàn)在還沒做到這一點(diǎn)。我們完全可以用一個(gè)功率模塊來做,有很多的人都在嘗試著做這樣一些東西,精進(jìn)電動(dòng)也在嘗試。
國外三合一電驅(qū)系統(tǒng)介紹
相對于國內(nèi)廠商,國外廠商在電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)集成化設(shè)計(jì)方面走得更超前,并已在部分車型上有所應(yīng)用。具體來看,國外廠商推出的電驅(qū)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(qū)動(dòng)橋
博世BOSCH充分利用其完整的產(chǎn)品線,進(jìn)行高度整合后將動(dòng)力電機(jī)、電機(jī)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型緊湊的動(dòng)力布局。博世將原來獨(dú)立的電機(jī)、電機(jī)控制器、變速箱和包括逆變器在內(nèi)的功率電子模塊集成到一個(gè)外殼當(dāng)中,可安裝在油電混合動(dòng)力車、電動(dòng)車等車型上。
電動(dòng)汽車電驅(qū)系統(tǒng)輕量化 小型化發(fā)展趨勢及實(shí)現(xiàn)路徑
據(jù)了解,具體產(chǎn)品可按照平臺(tái)設(shè)計(jì)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(jī)和逆變器的液冷冷卻管路整合而簡化了管線布置。模塊內(nèi)部集成大功率交流驅(qū)動(dòng)母線進(jìn)一步降低了線纜成本。
電動(dòng)汽車電驅(qū)系統(tǒng)輕量化 小型化發(fā)展趨勢及實(shí)現(xiàn)路徑
與傳統(tǒng)電機(jī)相比,博世的eAxle電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可擴(kuò)展模塊化平臺(tái),使不同功率產(chǎn)品快速開發(fā)并適配于不同車型,大大縮短開發(fā)周期,由此帶來5%-10%的成本效益。同時(shí),該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)高度集成化,體積較傳統(tǒng)電動(dòng)汽車動(dòng)力總成系統(tǒng)減少了20%。
GKN(吉?jiǎng)P恩)電驅(qū)動(dòng)橋
GKN自2002年開始一直推動(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(nèi)量產(chǎn))、GKN半集成化產(chǎn)品、GKN集成式電驅(qū)系統(tǒng)(2019年國內(nèi)量產(chǎn))。
電動(dòng)汽車電驅(qū)系統(tǒng)輕量化 小型化發(fā)展趨勢及實(shí)現(xiàn)路徑
目前,eAxle已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)14?000?r/min的輸入轉(zhuǎn)速,且在接下來的幾年中,輸入轉(zhuǎn)速有望達(dá)到甚至超過20?000?r/min,混合驅(qū)動(dòng)模式時(shí)轉(zhuǎn)速可能更高。
據(jù)了解,GKN集團(tuán)最新研發(fā)生產(chǎn)的電驅(qū)動(dòng)橋(eDrive)將電機(jī)、逆變器、eAxle減速箱等集成為一體,可提供2000N·M轉(zhuǎn)矩和70KW功率,可使車輛在純電動(dòng)模式下達(dá)到125km/h的最高車速。
電動(dòng)汽車電驅(qū)系統(tǒng)輕量化 小型化發(fā)展趨勢及實(shí)現(xiàn)路徑
產(chǎn)品優(yōu)勢:整套電驅(qū)動(dòng)橋系統(tǒng)重量只有20.2公斤,最高效率達(dá)到97%。目前GKN的電驅(qū)動(dòng)橋已經(jīng)在沃爾沃XC90插電混動(dòng)車型、寶馬i8、三菱歐藍(lán)德(插電混動(dòng)汽車)等車型得到了成功應(yīng)用。
博格華納:eGearDrive®電子驅(qū)動(dòng)橋+電機(jī)
針對電動(dòng)汽車領(lǐng)域,博格華納推出了eGearDrive®電子驅(qū)動(dòng)橋+電機(jī)的綜合解決方案系統(tǒng),該方案適用于不同車型、不同能效比的電動(dòng)汽車。
電動(dòng)汽車電驅(qū)系統(tǒng)輕量化 小型化發(fā)展趨勢及實(shí)現(xiàn)路徑
▲博格華納中國區(qū)總裁談躍生先生
eDM電驅(qū)模塊最終實(shí)現(xiàn)模塊傳遞扭矩最高可達(dá)315Nm,輪上持續(xù)扭矩和輪上峰值扭矩分別達(dá)到1450Nm和2500Nm,最高輸入轉(zhuǎn)速可達(dá)12000r/min,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)傳動(dòng)效率大于93%,以更高的穩(wěn)定性、牽引力和低噪音性能,為電動(dòng)汽車駕乘者帶來出色的駕駛樂趣。
產(chǎn)品優(yōu)勢:eGearDrive®電子驅(qū)動(dòng)橋具有較高的扭矩容量,能夠處理高達(dá)14000rpm的輸入速度,從而保證運(yùn)作平穩(wěn)、低噪音。
電動(dòng)汽車電驅(qū)系統(tǒng)輕量化 小型化發(fā)展趨勢及實(shí)現(xiàn)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(yīng)用情況:特斯拉、北汽新能源、長城C30EV等。其中,長城C30EV便采用了博格華納的一體式電驅(qū)動(dòng)橋,峰值扭矩達(dá)280N·M,峰值功率為120KW,百公里加速度為8s。
采埃孚:三合一電驅(qū)系統(tǒng)
對于純電動(dòng)車,采埃孚提供了輕巧、緊湊的電驅(qū)橋系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括了電機(jī)、兩級減速機(jī)和一體化的功率電子系統(tǒng)。該系統(tǒng)的高速設(shè)計(jì)使其極為高效。采埃孚的電驅(qū)系統(tǒng)包含電機(jī)、變速器、傳動(dòng)部件等等,專為微型車、小型車研發(fā),轉(zhuǎn)速可達(dá)21,000轉(zhuǎn)/分鐘,同時(shí)還具備電能轉(zhuǎn)化效率高和性能優(yōu)異的特點(diǎn)。
電動(dòng)汽車電驅(qū)系統(tǒng)輕量化 小型化發(fā)展趨勢及實(shí)現(xiàn)路徑
采埃孚全新推出的模塊化mSTARS系統(tǒng)包含了驅(qū)動(dòng)電機(jī)、變速器、差速器和功率電子模塊,可同時(shí)適用于傳統(tǒng)動(dòng)力汽車、混合動(dòng)力汽車及純電動(dòng)汽車等多種不同驅(qū)動(dòng)形式的車型。
體積更小,成本更低的驅(qū)動(dòng)電機(jī)
電機(jī)是應(yīng)用電磁感應(yīng)原理運(yùn)行的旋轉(zhuǎn)電磁機(jī)械,用于實(shí)現(xiàn)電能向機(jī)械能的轉(zhuǎn)換。運(yùn)行時(shí)從電系統(tǒng)吸收電功率,向機(jī)械系統(tǒng)輸出機(jī)械功率。
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異步電機(jī)主要應(yīng)用在純電動(dòng)汽車,永磁同步電機(jī)主要應(yīng)用在混合動(dòng)力汽車中,開關(guān)磁阻電機(jī)目前主要應(yīng)用在客車中。而從中國不同種類新能源汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)的應(yīng)用來看,目前交流異步感應(yīng)電機(jī)和開關(guān)磁阻電機(jī)主要應(yīng)用于新能源商用車,特別是新能源客車,開關(guān)磁阻電機(jī)的實(shí)際裝配應(yīng)用較少;永磁同步電機(jī)主要應(yīng)用于新能源乘用車。
圍繞驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)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整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo),而不是依靠諸如電機(jī)、逆變器或減速器的單個(gè)單元。
電動(dòng)汽車電驅(qū)系統(tǒng)輕量化 小型化發(fā)展趨勢及實(shí)現(xiàn)路徑
2016年后本田混合動(dòng)力車(HEV)上采用的全新結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。與傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)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(nèi)的i-MMD驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的小型化成為可能。現(xiàn)行雅閣的HEV款中采用的2電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)),與使用常規(guī)電機(jī)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(jī)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,但卻不利于車輛的經(jīng)濟(jì)性與舒適性。尤其是為追求性能采用高轉(zhuǎn)速電動(dòng)機(jī)的Model S,它配置的高轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)功耗較大,并且單級變速箱一擋大齒比,造成車輛巡航狀態(tài)也處于較高的轉(zhuǎn)速臨界點(diǎn),經(jīng)濟(jì)性不高。
電動(dòng)汽車電驅(qū)系統(tǒng)輕量化 小型化發(fā)展趨勢及實(shí)現(xiàn)路徑
目前大多采用單擋減速方案的原因也主要是因?yàn)殡姍C(jī)的特性與內(nèi)燃機(jī)不同,驅(qū)動(dòng)電機(jī)一般具有低速恒轉(zhuǎn)矩和高速恒功率的特性,在很低的轉(zhuǎn)速下就能產(chǎn)生很大的扭矩,不像內(nèi)燃機(jī)車需要減速增扭來起步。
然而采用單擋減速器時(shí),純電動(dòng)乘用車的動(dòng)力性能完全取決于驅(qū)動(dòng)電機(jī),對驅(qū)動(dòng)電機(jī)性能的要求較高,即要求驅(qū)動(dòng)電機(jī)既能在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)提供較高的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩,又能在恒功率區(qū)提供較高的轉(zhuǎn)速,以滿足車輛加速、爬坡與高速行駛的要求。
當(dāng)電動(dòng)汽車的速度到達(dá)極限之后沒有提升空間,所以的速度受到制約,高速經(jīng)濟(jì)性不高。同時(shí),采用單擋減速器不利于高電驅(qū)動(dòng)總成系統(tǒng)的效率,這是因?yàn)閱我粋鲃?dòng)比通常無法同時(shí)兼顧純電動(dòng)乘用車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性,行駛過程中驅(qū)動(dòng)電機(jī)多數(shù)情況下無法處于高效率工作點(diǎn),尤其是在最高或最低車速以及低負(fù)荷條件下,驅(qū)動(dòng)電機(jī)效率一般會(huì)降至 60-70%以下,嚴(yán)重浪費(fèi)了車載電能而減少續(xù)駛里程。
電動(dòng)汽車電驅(qū)系統(tǒng)輕量化 小型化發(fā)展趨勢及實(shí)現(xiàn)路徑
機(jī)械零件具備優(yōu)勢的廠商則是將減速器作為了強(qiáng)項(xiàng)。例如,舍弗勒(Schaeffler)公司,在三位一體的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)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(tǒng)越容易提高轉(zhuǎn)矩。因此,與減速比為10左右的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相比,能夠在利用高速旋轉(zhuǎn)的小型電動(dòng)機(jī)的情況下獲得相同的扭矩,也就是說,實(shí)現(xiàn)了小型化。
驅(qū)動(dòng)電機(jī)小型化的實(shí)現(xiàn)路徑
1、提高永磁電機(jī)功率密度
國際上經(jīng)過多年的實(shí)踐,從提高功率密度和轉(zhuǎn)矩密度的角度考慮,采用稀土永磁作為電機(jī)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(chǔ)量也是世界第一,因此我國在車用永磁電機(jī)方面具有明顯的資源優(yōu)勢。
電動(dòng)汽車電驅(qū)系統(tǒng)輕量化 小型化發(fā)展趨勢及實(shí)現(xiàn)路徑
由于近年來我國已將稀土類元素列為戰(zhàn)略資源,并且進(jìn)行了嚴(yán)格的出口限制,這直接導(dǎo)致了日本對稀土材料永磁電機(jī)的擔(dān)心,在日本《下一代汽車戰(zhàn)略2010》中,已提出研發(fā)替代稀土永磁原材料的電機(jī)技術(shù)。美國在其新一代電力電子技術(shù)計(jì)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、增加線圈的占積率
為了實(shí)現(xiàn)電機(jī)小型化,本田增加了繞線的占積率(空間中銅的比例),使定子變小。通過使用大截面的方形導(dǎo)線作為線圈,使得占積率達(dá)到了60%。 在傳統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)中,使用薄的圓形線圈,占積率一般只能達(dá)到48%。
電動(dòng)汽車電驅(qū)系統(tǒng)輕量化 小型化發(fā)展趨勢及實(shí)現(xiàn)路徑
為了使定子小型化,線圈使用截面積大的方形導(dǎo)線。與傳統(tǒng)的圓形線圈相比,方形導(dǎo)線可使占積率從48%增加到60%。但是,由于和圓線相比方線變粗,導(dǎo)體(銅)中的“過電流損失”會(huì)增大。通常通過增大定子的槽寬度或減小每個(gè)線圈的厚度來減小過電流損耗。
3、拓寬回饋制動(dòng)高效區(qū)
與傳動(dòng)燃油發(fā)動(dòng)機(jī)汽車配置變速箱以擴(kuò)大發(fā)動(dòng)機(jī)工作區(qū)間類似,電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)也正在通過不斷引入變速結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)對電機(jī)工作區(qū)間的調(diào)節(jié),使兩者能夠在效率更高的區(qū)域更好地配合工作。
電動(dòng)汽車電驅(qū)系統(tǒng)輕量化 小型化發(fā)展趨勢及實(shí)現(xiàn)路徑
回饋制動(dòng)是混合動(dòng)力機(jī)電一體化技術(shù)的一個(gè)基本特點(diǎn)。伴隨著混合度要求的提升,相應(yīng)的,回饋制動(dòng)范圍的需求也會(huì)越來越大。采用回饋高校的電機(jī)、適當(dāng)?shù)淖兯傧到y(tǒng)和控制策略,可以使回饋制動(dòng)的允許范圍適應(yīng)更多工況,使整車節(jié)能更加有效,延長續(xù)駛里程。
4、縮短線圈末端
為了實(shí)現(xiàn)小型化,本田同時(shí)還縮短了從定子突出的線圈部分(“線圈末端”)。本田技術(shù)人員認(rèn)為線圈末端部分“對電機(jī)工作沒有貢獻(xiàn)”。
為了縮短線圈末端,采用了新的繞線結(jié)構(gòu)方法。首先,將矩形線圈塑形成U字形,以形成“并列分割線圈”。接下來,將該分割線圈從定子鐵心的軸方向插入。之后,將插入側(cè)以及對側(cè)伸出的線圈前端焊接在一起而形成線圈。
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新的繞線工藝,需要投資新的制造設(shè)備。與傳統(tǒng)工藝相比,新工藝不需要繩子捆綁,也不需要將線圈末端壓扁,從而更易于自動(dòng)化。由此實(shí)現(xiàn)高效率大批量生產(chǎn),成本也能降低?；趯ξ磥黼妱?dòng)汽車需求大幅增長的預(yù)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(qū)動(dòng)電機(jī)產(chǎn)量的增加,定子采用了低成本易采購的電磁鋼板。一般來說,定子是通過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(guī)電機(jī)更厚的電磁鋼板。傳統(tǒng)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SiC功率元件實(shí)現(xiàn)逆變器的小型化
將電機(jī)、減速箱,逆變器3個(gè)同時(shí)安裝到車輪內(nèi)的話,尺寸還是太大。即使將逆變器安裝在車體側(cè)的場合,逆變器的數(shù)量會(huì)隨著電機(jī)數(shù)量的增加而增加,因此對小型化的需求還是強(qiáng)烈。換句話說,逆變器的小型化是加速電動(dòng)化的關(guān)鍵。
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電動(dòng)汽車逆變器用于控制汽車主電機(jī)為汽車運(yùn)行提供動(dòng)力,IGBT功率模塊是電動(dòng)汽車逆變器的核心功率器件,其驅(qū)動(dòng)電路是發(fā)揮IGBT性能的關(guān)鍵電路。驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)與工業(yè)通用變頻器、風(fēng)能太陽能逆變器的驅(qū)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(zhàn)。
作為逆變器小型化的王牌集聚了汽車行業(yè)眾多期待的產(chǎn)品就是SiC(碳化硅)功率器件。與現(xiàn)有車載逆變器中使用的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。
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能夠發(fā)揮SiC功率器件優(yōu)勢的逆變器和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的相關(guān)研究和開發(fā)正在蓬勃發(fā)展。例如,芝浦工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)科專門研究電機(jī)技術(shù)與機(jī)電一體化技術(shù)的教授赤津観先生的研究團(tuán)隊(duì),就試做了用于逆變器的小型SiC功率模塊。
在電動(dòng)汽車中,逆變器將直流動(dòng)力源轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣鬏敵鲵?qū)動(dòng)三相電機(jī)進(jìn)而將電能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能驅(qū)動(dòng)汽車運(yùn)行。它是整個(gè)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的核心部分,因此它控制性能的好壞直接關(guān)系到驅(qū)動(dòng)電機(jī)能否可靠、高效的運(yùn)行。
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下一代產(chǎn)品將以SiC逆變器為前提去思考設(shè)計(jì)。如果能維持現(xiàn)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(yù)見2020年后,車載用途上大規(guī)模使用SiC功率器件,逆變器以及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的小型化將會(huì)不斷推進(jìn)。
輪轂電機(jī)成為可見現(xiàn)實(shí)
業(yè)界很多人將輪轂電機(jī)看作未來新能源汽車驅(qū)動(dòng)解決方案,其最大的特點(diǎn)就是將驅(qū)動(dòng)、傳動(dòng)和制動(dòng)裝置都整合到輪轂內(nèi),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(jī)具備單個(gè)車輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的特性,因此無論是前驅(qū)、后驅(qū)還是四驅(qū)形式,它都可以比較輕松地實(shí)現(xiàn)。
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目前,這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)被多種新能源車型應(yīng)用,但尚未大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化。這種技術(shù)一旦實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化,將對現(xiàn)有的電動(dòng)汽車傳動(dòng)系統(tǒng)造成顛覆。
驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)小型輕量化最前沿的技術(shù)就是輪轂電機(jī)(以下稱IWM)成為可見現(xiàn)實(shí)。IWM有很多優(yōu)點(diǎn)。例如,將發(fā)動(dòng)機(jī)或電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力傳輸給到車輪的傳輸機(jī)構(gòu)可以省略,使得驅(qū)動(dòng)效率提升與車輛空間擴(kuò)大成為可能。
輪轂電機(jī)對整車底盤平臺(tái)有重大影響,若想輪轂電機(jī)有效地應(yīng)用在電動(dòng)汽車上,整車廠必須做相應(yīng)改變,但底盤平臺(tái)的開發(fā)費(fèi)用一般需要幾十億元,成本過高,一般整車廠很難接受。如果有車廠開發(fā)出適合輪轂電機(jī)搭載的底盤平臺(tái),才會(huì)顯示出輪轂電機(jī)的優(yōu)越性,現(xiàn)在只是體現(xiàn)了輪轂電機(jī)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(jī),整車要改進(jìn)懸架參數(shù)來匹配,這并非技術(shù)瓶頸,在我們把燃油車改成電動(dòng)汽車時(shí),由于簧上質(zhì)量加重,懸架進(jìn)行了調(diào)整,那么在應(yīng)用輪轂電機(jī)時(shí),簧下質(zhì)量加重也需要調(diào)整這一部分。輪轂電機(jī)的開發(fā)商和車廠一定要配合來做這件事,這樣有助于發(fā)揮優(yōu)點(diǎn),克服缺點(diǎn)。
加入車載充電器功能
電動(dòng)汽車正在蓬勃發(fā)展,電動(dòng)汽車的設(shè)計(jì)也不斷進(jìn)行完善,相比于傳統(tǒng)汽車的零部件,電動(dòng)汽車的電子設(shè)備更多,電力代替燃油成為動(dòng)力驅(qū)動(dòng)來源,這就對整個(gè)電子動(dòng)力系統(tǒng)的零部件提出嚴(yán)苛的挑戰(zhàn)。
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與其往汽車?yán)锛虞d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(jī)和逆變器(用于直流電和交流電之間的轉(zhuǎn)換),使其能夠支持充電任務(wù)。系統(tǒng)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(jī)流入逆變器,在逆變器中轉(zhuǎn)換成直流電流后再輸入蓄電池。
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德國大陸集團(tuán),甚至還開發(fā)了一套具備充電功能的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),除了電機(jī),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、電流路徑的開關(guān)電路,噪音抑制電路等回路構(gòu)成,利用此附加電路,與逆變器以及另行準(zhǔn)備的DC-DC轉(zhuǎn)換器,實(shí)現(xiàn)為車載二次電池充電。
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此外,交流充電將不再受車載充電器所限制。在交流充電基礎(chǔ)設(shè)施條件允許的情況下,該系統(tǒng)可以以高達(dá)43千瓦的速率給蓄電池充電,只需充電十分鐘,汽車就可續(xù)航50公里。同時(shí),搭載大陸集團(tuán)的新系統(tǒng)后,電動(dòng)汽車可使用400伏直流快速充電樁,一次充電十分鐘,續(xù)航里程可長達(dá)150公里。同樣充電十分鐘,搭載更大容量蓄電池的高檔車可連接800伏直流充電樁,使續(xù)航里程到達(dá)300公里。這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)讓充電時(shí)間非常接近于發(fā)動(dòng)機(jī)汽車的加油時(shí)間。
