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电气化浪潮下, 电驱系统的“三电”能发挥多大能量?

来源:国际汽车设计及制造 发布时间:2022-07-14 733
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——来自武汉科技大学汽车与工程学院研究生导师雷洪钧博士的分享

近几年来,新能源汽车发展迅猛,2021年新能源乘用车产销量的快速增长支撑了当年汽车总销量逆势增长。截至2022年5月,新能源汽车产销累计双双超过200万辆,市场占有率达到21.0%。在政策及市场的共同推动下,新能源汽车市场未来有望保持高速发展,也将带动电驱动系统行业的发展。


雷洪钧.jpg

雷洪钧博士
武汉科技大学汽车与工程学院研究生导师


不同于传统燃油汽车依靠内燃机燃烧做功驱动车轮,电动汽车是电机用电做功,需要电动驱动系统实现动力输出去驱动车轮。电动汽车的电驱动系统同样需要在高温、高湿、振动的复杂工况下工作,基于实时响应的软件算法,高频精确地控制电力电子元器件的功率输出特性,实现对驱动电机的控制,最终通过精密机械零部件对外传输动力。而其中,电驱动系统的大(小)三电总成是关键。


今天,我们邀请到来自武汉科技大学汽车与工程学院研究生导师雷洪钧博士为我们分享电驱动系统大(小)三电在新能源汽车中的重要作用,以及其发展的趋势,以期给我们的读者带来一些新的思考。

什么是电驱动系统的大(小)三电?


雷洪钧博士告诉我们,电驱动系统的大三电是指驱动电机、驱动电机控制器、变速器三大总成件。驱动电机是将动力电池的电能转化为旋转的机械能,是输出动力的来源;控制器总成的基本功能是基于功率半导体的硬件及软件设计,对驱动电机的工作状态进行实时控制,并持续丰富其他控制功能;变速器通过齿轮组降低输出转速提高输出扭矩,以保证电驱动系统持续运行在高效区间。“大三电总成件必须组合起来工作,才是工程上的电动汽车的驱动系统。”他说道。


大三电总成件.jpg

大三电总成件


小三电是指高压配电盒PDU、车载充电机OBC和DC/DC变换器。高压配电盒可以针对不同电器用电要求进行配送电管理;车载充电机是将220V交流电变换为直流电给车载动力电池充电;DC/DC变换器可实现不同电压间变换,满足不同电器使用。小三电总成件必须组合起来工作,才是工程上的电动汽车充电、放电系统,其主要功能为提供电力转换及电池的充放电功能。


“汽车是非常复杂的机械系统,必须要在工程上符合一致性要求,并且能够保证在极端工况下的运行。对于电动汽车,电压的安全也需要考虑在内,小三电的电压转换也变得尤为重要。整车厂对于电驱动系统的大(小)三电有着非常高的关注度,电动车技术的每一次进步都来源于电驱系统的每一次改进。”雷洪钧博士如是说道。


电驱系统的发展趋势


电驱动系统如果对动力输出和控制不到位,对电动汽车整车使用的动力性、经济性、舒适性以及安全性指标都有非常大的影响。对于电驱系统的发展,雷洪钧博士分享了以下趋势:


▪电机高速化趋势明显
提升电机转速,对电机的设计、轴承选型、电机散热、转轴材料、定转子硅钢片材料、电磁仿真、机械强度仿真、热仿真、公差计算匹配等提出了更高的要求。国内外电机的最高转速都在不断地提升过程中。


扁线电机.jpg

扁线电机


▪扁线电机应用越来越普遍
与普通圆漆包线绕组相比,扁线绕组槽满率更高、散热性能更好、端部尺寸更短、NVH表现更好。在相同的体积下,扁线电机具有电机能量密度更高、效率更高的优点。


据悉,特斯拉、上汽新能源、长城蜂巢、东风岚图、保时捷Taycan车型都采用了扁铜线定子电机,扁线电机已经进入大规模量产期。未来,随着技术工艺的进一步成熟,扁线电机的生产成本有望低于传统圆线电机,会更具有市场竞争力。


▪采用IGBT单管并联分立式技术
IGBT模块是由IGBT(绝缘栅双极型晶体管芯片)与FWD(续流二极管芯片)通过特定的电路桥接封装而成的模块化半导体产品。采用MOSFET以及IGBT单管并联技术(PEBB电力电子集成技术)的理念制作功率模块,有利于电机控制器灵活扩容,精准功率匹配,降低成本,保障了产品的可靠性,且具有良好的电磁兼容性,在新能源汽车领域有着广泛的应用。


同时,在电机控制器向高压大功率趋势发展的情况下,第三代功率半导体SiC(碳化硅)具有高频率、高效率、小体积等优点,可以使电动汽车实现更长的续航里程、更短的充电时间、更高的电池电压,因此其在电动汽车上的应用越来越广泛。未来利用SiC提升电动机控制器功率密度将是电控系统技术发展的主流趋势之一。


▪多合一电驱动系统发展
从分体部件到三合一,再从三合一到N合一产品,电驱系统的集成度越来越高。底盘集成化程度越高,则说明其性能越好,技术含量越高。

“多合一”面临技术关卡


电驱动系统集成化带来的优势是十分明显的,不仅能够减小系统体积与质量,提升整车布置的便利性,增加车内乘坐空间,系统间的能量损耗也有望进一步降低,整体效率大幅提升,而且由于壳体、连接件的省略,系统成本与价格将会显著下降。此外,集成化趋势也有利于模块化标准供货,缩短研发周期与匹配周期。电驱动系统集成化成为一个新的行业趋势,但还有诸多技术关卡要突破:


设计上的难点。目前驱动系统中的电机、变速器、逆变器等核心部件都是由不同的零部件公司进行开发设计。要进行多合一设计,就要求一个厂家来设计、生产集成式电驱动系统,对设计工程师提出了更高的要求,需要在设计阶段就能把各个核心部件进行深度融合。


核心部件的兼容性和复用性的难点。做多合一集成之后,需要解决电机、变速器、逆变器等兼容性的问题,这对集成电驱动系统供应商会是个很大的挑战,需要为不同整车厂的电驱动系统预留不同的安装空间。


工艺水平、质量控制水平更高。要把众多的核心部件进行多合一的集成,必须要考虑可靠性、耐久性等指标。
控制整体的NVH水平。NVH(噪声、振动与声振粗糙度)是衡量汽车制造质量的一个综合性指标,它给汽车用户的感受是最直接和最表面的。数据显示,整车约有1/3的故障问题是和车辆的NVH问题有关系。


“随着电驱动产品集成化的进一步提升,除电机、电机控制器、减速器之外,高压分线盒、DC/DC、充电机OBC等零部件也可能集成进去,形成功能更全的多合一动力总成系统。电驱动系统的集成化成为一个新的行业趋势,但是它带来的价值愈大,随之而来的挑战也愈多,厂商需要不断提高自身的技术实力来应对这些挑战。”雷洪钧博士说道。

结语


电动汽车技术核心是动力电池的能量密度,其次是就是大(小)三电总成。电驱动系统发挥了燃油汽车中“发动机、ECU电控单元、变速箱”的作用,不论采用何种电动化技术路径与何种动力电池,每辆电动汽车都需要电驱动系统实现动力输出与控制。


2021年我国电驱动系统行业的规模约为378亿元。中国今年的新能源汽车销量目标约550万辆,若2025年新能源汽车销量达到850万辆,则国内电驱动市场规模整体有望达到1088亿元,市场规模可观。此外,新能源汽车的海外市场也具有可观的增量。


“电动汽车大(小)三电总成技术讨论的是汽车驱动技术,中国在这一领域越来越成熟、越来越有市场竞争力。值得注意的是,电动汽车大(小)三电总成涉及到很多细分产业,产业链会越来越长,希望在产业链上的企业都能发挥其能量,为电动汽车的发展提供更多助力。”雷洪钧博士总结道。


来源:荣格-《国际汽车设计及制造》

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