電驅動系統(tǒng)小型化、輕量化、集成化漸成趨勢
隨著新能源電動汽車市場越來越活躍,關于電動汽車電驅動系統(tǒng)的一體化研究開始步入工程師的視野,通過將驅動電機、逆變器,減速器三個部件一體化、集成化,可以實現(xiàn)輕量化、高效、小型化,同時降低成本,在一定程度上解放空間、利于整車布置。而將驅動系統(tǒng)安裝在車輪內的輪轂電機,更是進一步推進了電驅動系統(tǒng)的小型化和輕量化,雖然還處在產業(yè)化的前夜。
電動汽車電驅系統(tǒng)輕量化 小型化發(fā)展趨勢及實現(xiàn)路徑
在電驅動技術集成方面,初步的有“二合一”(電機集成減速器)方案;進階方案則是“三合一”(電控+電機+減速器)方案,是目前研究的主要方向。
綜合來看,目前大多數(shù)企業(yè)只能做到“二合一”的電驅動總成方案,但預計未來幾年內,三合一電驅動總成方案將成為主流。
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而從長遠來看,電機、減速器、電機控制器、高壓分線盒、DC/DC、DC/AC、充電機等零部件都會集成為一個大的動力總成:“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。
電驅系統(tǒng)集成化的必要性分析
隨著新能源汽車技術的不斷發(fā)展,零部件集成化設計已經成為必然趨勢。通過集成化設計,一方面可以簡化主機廠的裝配,提高產品合格率;另一方面可以大規(guī)?？s減供應商數(shù)量,還可以達到輕量化、節(jié)約成本等目的。
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電驅動系統(tǒng)的集成化設計不僅可以實現(xiàn)驅動系統(tǒng)的小型化和輕量化以降低成本,還可以提高效率:如果將驅動電機與逆變器集成一體,逆變器配置在驅動電機旁,連接電機與逆變器的線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,還降低了線束產生的能量損耗。
如博世,GKN Driveline,三菱電機和舍弗勒。不僅實現(xiàn)了逆變器與電機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,提升了驅動系統(tǒng)效率。
再如,將驅動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,精簡了冷卻機構,可以實現(xiàn)小型化。
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與國內企業(yè)單純的“三合一”電驅動方案有所不同的是,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(tǒng)車橋相結合,形成一個高度集成化的電驅動橋產品,使得整個電驅動總成系統(tǒng)具備成本更低、體積更小、效率更高等優(yōu)勢。
國內三合一電驅系統(tǒng)介紹
長安汽車
長安第二代電驅動總成也是三合一方案,包含了電機、減速器與電控等集成,目前已經開發(fā)完成。相比此前的總成,該電驅動總成成本下降了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%。
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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)電驅系統(tǒng)的合作框架協(xié)議,雙方旨在互補優(yōu)勢,達到在新能源汽車領域共贏的目的,并且針對目前新能源汽車集成化設計的趨勢,進行電驅三合一產品的設計、匹配、試驗、生產等。據(jù)悉,合作的成果最快將于明年達到量產批準狀態(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電驅動系統(tǒng)能耗優(yōu)化降低至業(yè)界領先的15kWh/百公里。電機起步實現(xiàn)超高扭矩,4.5秒0-50km起步加速度遠超同級燃油車;結合iBooster電控制動系統(tǒng),最大程度回收制動能量。
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純電動SUV車型上汽榮威ERX5的EDS電驅動系統(tǒng)為85kW一體式電驅動系統(tǒng)。它是以匹配整車驅動效率最優(yōu)為目標開發(fā)的全新系統(tǒng)。這套EDS電驅動系統(tǒng)集成了電力電子控制單元、高性能動力電機和減速器。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,電機轉速達到14000rpm。
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驅動總成綜合效率達到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
EDS電驅動系統(tǒng)是電動汽車的“心臟”,高性能電驅動系統(tǒng)的設計、開發(fā)和集成,對研發(fā)團隊的技術考驗相當大。XPT一體化集成的EDS電驅動系統(tǒng),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、大扭矩的動力新組合,給予用戶澎湃動力感受。
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精進電動
精進電動自主研發(fā)的電機+減速箱+電控一體化總成,將于2019年投產。新一代“三合一”電驅動總成將實現(xiàn)動力、效率、輕量化、重量、振動噪音和成本水平的更好表現(xiàn),300Nm系列電機的轉速將提高到16,000轉以上。
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精進電動目前做的有四合一的控制器。還有一個充電和驅動,因為開車的時候從來不充電、充電的時候不開車。很多人說無線充電的時候,車一邊走、一邊充,現(xiàn)在還沒做到這一點。我們完全可以用一個功率模塊來做,有很多的人都在嘗試著做這樣一些東西,精進電動也在嘗試。
國外三合一電驅系統(tǒng)介紹
相對于國內廠商,國外廠商在電驅動系統(tǒng)集成化設計方面走得更超前,并已在部分車型上有所應用。具體來看,國外廠商推出的電驅動總成產品,其集成度更高、體積更小、效率也更高。
博世eAxle電驅動橋
博世BOSCH充分利用其完整的產品線,進行高度整合后將動力電機、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型緊湊的動力布局。博世將原來獨立的電機、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外殼當中,可安裝在油電混合動力車、電動車等車型上。
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據(jù)了解,具體產品可按照平臺設計輸出50KW到300KW、1000NM到6000NM等不同的變型產品。
產品優(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化了管線布置。模塊內部集成大功率交流驅動母線進一步降低了線纜成本。
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與傳統(tǒng)電機相比,博世的eAxle電驅動系統(tǒng)可擴展模塊化平臺,使不同功率產品快速開發(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,該系統(tǒng)可實現(xiàn)高度集成化,體積較傳統(tǒng)電動汽車動力總成系統(tǒng)減少了20%。
GKN(吉凱恩)電驅動橋
GKN自2002年開始一直推動eAxle技術的發(fā)展,目前已經研發(fā)了多?；旌蟿恿MeT產品(于2018年國內量產)、GKN半集成化產品、GKN集成式電驅系統(tǒng)(2019年國內量產)。
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目前,eAxle已經可以實現(xiàn)14?000?r/min的輸入轉速,且在接下來的幾年中,輸入轉速有望達到甚至超過20?000?r/min,混合驅動模式時轉速可能更高。
據(jù)了解,GKN集團最新研發(fā)生產的電驅動橋(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,可使車輛在純電動模式下達到125km/h的最高車速。
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產品優(yōu)勢:整套電驅動橋系統(tǒng)重量只有20.2公斤,最高效率達到97%。目前GKN的電驅動橋已經在沃爾沃XC90插電混動車型、寶馬i8、三菱歐藍德(插電混動汽車)等車型得到了成功應用。
博格華納:eGearDrive®電子驅動橋+電機
針對電動汽車領域,博格華納推出了eGearDrive®電子驅動橋+電機的綜合解決方案系統(tǒng),該方案適用于不同車型、不同能效比的電動汽車。
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▲博格華納中國區(qū)總裁談躍生先生
eDM電驅模塊最終實現(xiàn)模塊傳遞扭矩最高可達315Nm,輪上持續(xù)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,實現(xiàn)系統(tǒng)傳動效率大于93%,以更高的穩(wěn)定性、牽引力和低噪音性能,為電動汽車駕乘者帶來出色的駕駛樂趣。
產品優(yōu)勢:eGearDrive®電子驅動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(wěn)、低噪音。
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▲博格華納全球副總裁兼首席技術官(CTO)Christopher P.Thomas 先生
應用情況: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動橋,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(tǒng)
對于純電動車,采埃孚提供了輕巧、緊湊的電驅橋系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括了電機、兩級減速機和一體化的功率電子系統(tǒng)。該系統(tǒng)的高速設計使其極為高效。采埃孚的電驅系統(tǒng)包含電機、變速器、傳動部件等等,專為微型車、小型車研發(fā),轉速可達21,000轉/分鐘,同時還具備電能轉化效率高和性能優(yōu)異的特點。
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采埃孚全新推出的模塊化mSTARS系統(tǒng)包含了驅動電機、變速器、差速器和功率電子模塊,可同時適用于傳統(tǒng)動力汽車、混合動力汽車及純電動汽車等多種不同驅動形式的車型。
體積更小,成本更低的驅動電機
電機是應用電磁感應原理運行的旋轉電磁機械,用于實現(xiàn)電能向機械能的轉換。運行時從電系統(tǒng)吸收電功率,向機械系統(tǒng)輸出機械功率。
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異步電機主要應用在純電動汽車,永磁同步電機主要應用在混合動力汽車中,開關磁阻電機目前主要應用在客車中。而從中國不同種類新能源汽車驅動電機的應用來看,目前交流異步感應電機和開關磁阻電機主要應用于新能源商用車,特別是新能源客車,開關磁阻電機的實際裝配應用較少;永磁同步電機主要應用于新能源乘用車。
圍繞驅動系統(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驅動系統(tǒng)來實現(xiàn)這些目標,而不是依靠諸如電機、逆變器或減速器的單個單元。
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2016年后本田混合動力車(HEV)上采用的全新結構驅動電機。與傳統(tǒng)的驅動電機相比,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驅動系統(tǒng)的小型化成為可能?，F(xiàn)行雅閣的HEV款中采用的2電機驅動系統(tǒng)(電機與發(fā)動機),與使用常規(guī)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機產生的扭矩輸出一氣呵成,也許不間斷的動力輸出對起步加速有利,但卻不利于車輛的經濟性與舒適性。尤其是為追求性能采用高轉速電動機的Model S,它配置的高轉電動機功耗較大,并且單級變速箱一擋大齒比,造成車輛巡航狀態(tài)也處于較高的轉速臨界點,經濟性不高。
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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生很大的扭矩,不像內燃機車需要減速增扭來起步。
然而采用單擋減速器時,純電動乘用車的動力性能完全取決于驅動電機,對驅動電機性能的要求較高,即要求驅動電機既能在恒轉矩區(qū)提供較高的驅動轉矩,又能在恒功率區(qū)提供較高的轉速,以滿足車輛加速、爬坡與高速行駛的要求。
當電動汽車的速度到達極限之后沒有提升空間,所以的速度受到制約,高速經濟性不高。同時,采用單擋減速器不利于高電驅動總成系統(tǒng)的效率,這是因為單一傳動比通常無法同時兼顧純電動乘用車的動力性和經濟性,行駛過程中驅動電機多數(shù)情況下無法處于高效率工作點,尤其是在最高或最低車速以及低負荷條件下,驅動電機效率一般會降至 60-70%以下,嚴重浪費了車載電能而減少續(xù)駛里程。
電動汽車電驅系統(tǒng)輕量化 小型化發(fā)展趨勢及實現(xiàn)路徑
機械零件具備優(yōu)勢的廠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)越容易提高轉矩。因此,與減速比為10左右的驅動系統(tǒng)相比,能夠在利用高速旋轉的小型電動機的情況下獲得相同的扭矩,也就是說,實現(xiàn)了小型化。
驅動電機小型化的實現(xiàn)路徑
1、提高永磁電機功率密度
國際上經過多年的實踐,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自中國,而且儲量也是世界第一,因此我國在車用永磁電機方面具有明顯的資源優(yōu)勢。
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由于近年來我國已將稀土類元素列為戰(zhàn)略資源,并且進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《下一代汽車戰(zhàn)略2010》中,已提出研發(fā)替代稀土永磁原材料的電機技術。美國在其新一代電力電子技術計劃中也在尋求可替代稀土永磁體的技術方案,但目前尚未找到較好的辦法。
2、增加線圈的占積率
為了實現(xiàn)電機小型化,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線作為線圈,使得占積率達到了60%。 在傳統(tǒng)的電動機中,使用薄的圓形線圈,占積率一般只能達到48%。
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為了使定子小型化,線圈使用截面積大的方形導線。與傳統(tǒng)的圓形線圈相比,方形導線可使占積率從48%增加到60%。但是,由于和圓線相比方線變粗,導體(銅)中的“過電流損失”會增大。通常通過增大定子的槽寬度或減小每個線圈的厚度來減小過電流損耗。
3、拓寬回饋制動高效區(qū)
與傳動燃油發(fā)動機汽車配置變速箱以擴大發(fā)動機工作區(qū)間類似,電驅動系統(tǒng)也正在通過不斷引入變速結構來實現(xiàn)對電機工作區(qū)間的調節(jié),使兩者能夠在效率更高的區(qū)域更好地配合工作。
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回饋制動是混合動力機電一體化技術的一個基本特點。伴隨著混合度要求的提升,相應的,回饋制動范圍的需求也會越來越大。采用回饋高校的電機、適當?shù)淖兯傧到y(tǒng)和控制策略,可以使回饋制動的允許范圍適應更多工況,使整車節(jié)能更加有效,延長續(xù)駛里程。
4、縮短線圈末端
為了實現(xiàn)小型化,本田同時還縮短了從定子突出的線圈部分(“線圈末端”)。本田技術人員認為線圈末端部分“對電機工作沒有貢獻”。
為了縮短線圈末端,采用了新的繞線結構方法。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,將插入側以及對側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,從而更易于自動化。由此實現(xiàn)高效率大批量生產,成本也能降低。基于對未來電動汽車需求大幅增長的預期,本田采取了這樣的具備大批量生產優(yōu)勢的工藝。
5、采用低成本易采購的電磁鋼板
還有一點創(chuàng)新就是考慮到驅動電機產量的增加,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格昂貴。為了降低成本,本田最終使用了比常規(guī)電機更厚的電磁鋼板。傳統(tǒng)產品的厚度為0.25mm,但本田采用的厚度為0.3mm,這個厚度流通量很大,不但便宜,而且易于采購。
通過SiC功率元件實現(xiàn)逆變器的小型化
將電機、減速箱,逆變器3個同時安裝到車輪內的話,尺寸還是太大。即使將逆變器安裝在車體側的場合,逆變器的數(shù)量會隨著電機數(shù)量的增加而增加,因此對小型化的需求還是強烈。換句話說,逆變器的小型化是加速電動化的關鍵。
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電動汽車逆變器用于控制汽車主電機為汽車運行提供動力,IGBT功率模塊是電動汽車逆變器的核心功率器件,其驅動電路是發(fā)揮IGBT性能的關鍵電路。驅動電路的設計與工業(yè)通用變頻器、風能太陽能逆變器的驅動電路有更為苛刻的技術要求,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)勢的逆變器和驅動系統(tǒng)的相關研究和開發(fā)正在蓬勃發(fā)展。例如,芝浦工業(yè)大學電氣工程學科專門研究電機技術與機電一體化技術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。
在電動汽車中,逆變器將直流動力源轉變?yōu)榻涣鬏敵鲵寗尤嚯姍C進而將電能轉變成機械能驅動汽車運行。它是整個電驅動系統(tǒng)的核心部分,因此它控制性能的好壞直接關系到驅動電機能否可靠、高效的運行。
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下一代產品將以SiC逆變器為前提去思考設計。如果能維持現(xiàn)有的SiC功率元件的降價步伐,則這一產品優(yōu)勢明顯,是完全可以利用的,由此,可以預見2020年后,車載用途上大規(guī)模使用SiC功率器件,逆變器以及驅動系統(tǒng)的小型化將會不斷推進。
輪轂電機成為可見現(xiàn)實
業(yè)界很多人將輪轂電機看作未來新能源汽車驅動解決方案,其最大的特點就是將驅動、傳動和制動裝置都整合到輪轂內,省略了離合器、變速器、傳動軸、差速器、分動器等傳動部件,由于輪轂電機具備單個車輪獨立驅動的特性,因此無論是前驅、后驅還是四驅形式,它都可以比較輕松地實現(xiàn)。
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目前,這項技術已經被多種新能源車型應用,但尚未大規(guī)模產業(yè)化。這種技術一旦實現(xiàn)產業(yè)化,將對現(xiàn)有的電動汽車傳動系統(tǒng)造成顛覆。
驅動系統(tǒng)小型輕量化最前沿的技術就是輪轂電機(以下稱IWM)成為可見現(xiàn)實。IWM有很多優(yōu)點。例如,將發(fā)動機或電機的驅動力傳輸給到車輪的傳輸機構可以省略,使得驅動效率提升與車輛空間擴大成為可能。
輪轂電機對整車底盤平臺有重大影響,若想輪轂電機有效地應用在電動汽車上,整車廠必須做相應改變,但底盤平臺的開發(fā)費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)出適合輪轂電機搭載的底盤平臺,才會顯示出輪轂電機的優(yōu)越性,現(xiàn)在只是體現(xiàn)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,整車要改進懸架參數(shù)來匹配,這并非技術瓶頸,在我們把燃油車改成電動汽車時,由于簧上質量加重,懸架進行了調整,那么在應用輪轂電機時,簧下質量加重也需要調整這一部分。輪轂電機的開發(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,克服缺點。
加入車載充電器功能
電動汽車正在蓬勃發(fā)展,電動汽車的設計也不斷進行完善,相比于傳統(tǒng)汽車的零部件,電動汽車的電子設備更多,電力代替燃油成為動力驅動來源,這就對整個電子動力系統(tǒng)的零部件提出嚴苛的挑戰(zhàn)。
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與其往汽車里加載更多的充電技術,倒不如把電動動力總成本身變成一個“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。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,充電樁供給的電流經電動機流入逆變器,在逆變器中轉換成直流電流后再輸入蓄電池。
電動汽車電驅系統(tǒng)輕量化 小型化發(fā)展趨勢及實現(xiàn)路徑
德國大陸集團,甚至還開發(fā)了一套具備充電功能的驅動系統(tǒng),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、電流路徑的開關電路,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,實現(xiàn)為車載二次電池充電。
電動汽車電驅系統(tǒng)輕量化 小型化發(fā)展趨勢及實現(xiàn)路徑
此外,交流充電將不再受車載充電器所限制。在交流充電基礎設施條件允許的情況下,該系統(tǒng)可以以高達43千瓦的速率給蓄電池充電,只需充電十分鐘,汽車就可續(xù)航50公里。同時,搭載大陸集團的新系統(tǒng)后,電動汽車可使用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300公里。這項技術已經讓充電時間非常接近于發(fā)動機汽車的加油時間。
