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2019车用新材料新工艺系列巡展规划

电动汽车电驱系统轻量化 小型化发展趋势及实现路径2

2018-6-15 08:37 473 0 来自: 驱动视界
简介
驱动电机小型化的实现路径1、提高永磁电机功率密度国际上经过多年的实践,从提高功率密度和转矩密度的角度考虑,采用稀土永磁作为电机的磁性材料是必然选择。由于目前大部分稀土均产自中国,而且储量也是世界第一, ...


驱动电机小型化的实现路径

1、提高永磁电机功率密度

国际上经过多年的实践,从提高功率密度和转矩密度的角度考虑,采用稀土永磁作为电机的磁性材料是必然选择。由于目前大部分稀土均产自中国,而且储量也是世界第一,因此我国在车用永磁电机方面具有明显的资源优势。

由于近年来我国已将稀土类元素列为战略资源,并且进行了严格的出口限制,这直接导致了日本对稀土材料永磁电机的担心,在日本《下一代汽车战略2010》中,已提出研发替代稀土永磁原材料的电机技术。美国在其新一代电力电子技术计划中也在寻求可替代稀土永磁体的技术方案,但目前尚未找到较好的办法。

2、增加线圈的占积率

为了实现电机小型化,本田增加了绕线的占积率(空间中铜的比例),使定子变小。通过使用大截面的方形导线作为线圈,使得占积率达到了60%。 在传统的电动机中,使用薄的圆形线圈,占积率一般只能达到48%。

电动汽车电驱系统轻量化 小型化发展趋势及实现路径

为了使定子小型化,线圈使用截面积大的方形导线。与传统的圆形线圈相比,方形导线可使占积率从48%增加到60%。但是,由于和圆线相比方线变粗,导体(铜)中的“过电流损失”会增大。通常通过增大定子的槽宽度或减小每个线圈的厚度来减小过电流损耗。

3、拓宽回馈制动高效区

与传动燃油发动机汽车配置变速箱以扩大发动机工作区间类似,电驱动系统也正在通过不断引入变速结构来实现对电机工作区间的调节,使两者能够在效率更高的区域更好地配合工作。

电动汽车电驱系统轻量化 小型化发展趋势及实现路径

回馈制动是混合动力机电一体化技术的一个基本特点。伴随着混合度要求的提升,相应的,回馈制动范围的需求也会越来越大。采用回馈高校的电机、适当的变速系统和控制策略,可以使回馈制动的允许范围适应更多工况,使整车节能更加有效,延长续驶里程。

4、缩短线圈末端

为了实现小型化,本田同时还缩短了从定子突出的线圈部分(“线圈末端”)。本田技术人员认为线圈末端部分“对电机工作没有贡献”。

为了缩短线圈末端,采用了新的绕线结构方法。首先,将矩形线圈塑形成U字形,以形成“并列分割线圈”。接下来,将该分割线圈从定子铁心的轴方向插入。之后,将插入侧以及对侧伸出的线圈前端焊接在一起而形成线圈。

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新的绕线工艺,需要投资新的制造设备。与传统工艺相比,新工艺不需要绳子捆绑,也不需要将线圈末端压扁,从而更易于自动化。由此实现高效率大批量生产,成本也能降低。基于对未来电动汽车需求大幅增长的预期,本田采取了这样的具备大批量生产优势的工艺。

5、采用低成本易采购的电磁钢板

还有一点创新就是考虑到驱动电机产量的增加,定子采用了低成本易采购的电磁钢板。一般来说,定子是通过堆叠多层薄磁钢片制成的。然而,薄的电磁钢片制造难度大且价格昂贵。为了降低成本,本田最终使用了比常规电机更厚的电磁钢板。传统产品的厚度为0.25mm,但本田采用的厚度为0.3mm,这个厚度流通量很大,不但便宜,而且易于采购。

通过SiC功率元件实现逆变器的小型化

将电机、减速箱,逆变器3个同时安装到车轮内的话,尺寸还是太大。即使将逆变器安装在车体侧的场合,逆变器的数量会随着电机数量的增加而增加,因此对小型化的需求还是强烈。换句话说,逆变器的小型化是加速电动化的关键。

电动汽车电驱系统轻量化 小型化发展趋势及实现路径

电动汽车逆变器用于控制汽车主电机为汽车运行提供动力,IGBT功率模块是电动汽车逆变器的核心功率器件,其驱动电路是发挥IGBT性能的关键电路。驱动电路的设计与工业通用变频器、风能太阳能逆变器的驱动电路有更为苛刻的技术要求,其中的电源电路受到空间尺寸小、工作温度高等限制,面临诸多挑战。

作为逆变器小型化的王牌集聚了汽车行业众多期待的产品就是SiC(碳化硅)功率器件。与现有车载逆变器中使用的Si功率器件相比,逆变器的功率损耗可以显著降低到一半一下。损耗减小,即发热量减少,由此可以减小逆变器尺寸。

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能够发挥SiC功率器件优势的逆变器和驱动系统的相关研究和开发正在蓬勃发展。例如,芝浦工业大学电气工程学科专门研究电机技术与机电一体化技术的教授赤津観先生的研究团队,就试做了用于逆变器的小型SiC功率模块。

在电动汽车中,逆变器将直流动力源转变为交流输出驱动三相电机进而将电能转变成机械能驱动汽车运行。它是整个电驱动系统的核心部分,因此它控制性能的好坏直接关系到驱动电机能否可靠、高效的运行。

电动汽车电驱系统轻量化 小型化发展趋势及实现路径

下一代产品将以SiC逆变器为前提去思考设计。如果能维持现有的SiC功率元件的降价步伐,则这一产品优势明显,是完全可以利用的,由此,可以预见2020年后,车载用途上大规模使用SiC功率器件,逆变器以及驱动系统的小型化将会不断推进。

轮毂电机成为可见现实

业界很多人将轮毂电机看作未来新能源汽车驱动解决方案,其最大的特点就是将驱动、传动和制动装置都整合到轮毂内,省略了离合器、变速器、传动轴、差速器、分动器等传动部件,由于轮毂电机具备单个车轮独立驱动的特性,因此无论是前驱、后驱还是四驱形式,它都可以比较轻松地实现。

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目前,这项技术已经被多种新能源车型应用,但尚未大规模产业化。这种技术一旦实现产业化,将对现有的电动汽车传动系统造成颠覆。

驱动系统小型轻量化最前沿的技术就是轮毂电机(以下称IWM)成为可见现实。IWM有很多优点。例如,将发动机或电机的驱动力传输给到车轮的传输机构可以省略,使得驱动效率提升与车辆空间扩大成为可能。

轮毂电机对整车底盘平台有重大影响,若想轮毂电机有效地应用在电动汽车上,整车厂必须做相应改变,但底盘平台的开发费用一般需要几十亿元,成本过高,一般整车厂很难接受。如果有车厂开发出适合轮毂电机搭载的底盘平台,才会显示出轮毂电机的优越性,现在只是体现了轮毂电机单体表面上的优越性。

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在集成方面,如果要搭配轮毂电机,整车要改进悬架参数来匹配,这并非技术瓶颈,在我们把燃油车改成电动汽车时,由于簧上质量加重,悬架进行了调整,那么在应用轮毂电机时,簧下质量加重也需要调整这一部分。轮毂电机的开发商和车厂一定要配合来做这件事,这样有助于发挥优点,克服缺点。

加入车载充电器功能

电动汽车正在蓬勃发展,电动汽车的设计也不断进行完善,相比于传统汽车的零部件,电动汽车的电子设备更多,电力代替燃油成为动力驱动来源,这就对整个电子动力系统的零部件提出严苛的挑战。

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与其往汽车里加载更多的充电技术,倒不如把电动动力总成本身变成一个“充电器”。换而言之,就是改造电机和逆变器(用于直流电和交流电之间的转换),使其能够支持充电任务。系统中唯一额外加载的部件是直流变换器,它的作用是确保电源始终以最佳电压水平流向蓄电池。在用交流充电时,充电桩供给的电流经电动机流入逆变器,在逆变器中转换成直流电流后再输入蓄电池。

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德国大陆集团,甚至还开发了一套具备充电功能的驱动系统,除了电机,减速箱与逆变器,还集成了充电电路。此电路由用于鉴别AC / DC的鉴别电路、电流路径的开关电路,噪音抑制电路等回路构成,利用此附加电路,与逆变器以及另行准备的DC-DC转换器,实现为车载二次电池充电。

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此外,交流充电将不再受车载充电器所限制。在交流充电基础设施条件允许的情况下,该系统可以以高达43千瓦的速率给蓄电池充电,只需充电十分钟,汽车就可续航50公里。同时,搭载大陆集团的新系统后,电动汽车可使用400伏直流快速充电桩,一次充电十分钟,续航里程可长达150公里。同样充电十分钟,搭载更大容量蓄电池的高档车可连接800伏直流充电桩,使续航里程到达300公里。这项技术已经让充电时间非常接近于发动机汽车的加油时间。

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