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深度解析電動汽車電驅動系統(tǒng)的核心技術

時間:2024-02-27 14:08:41來源:智能汽車電子與軟件

導語:?相比于電機功率提升和能效優(yōu)化,多合一大集成的所帶來的綜合收益會更加明顯,是當之無愧的新能源汽車電驅系統(tǒng)最重要的核心技術之一。

電驅系統(tǒng)主要包含電機、電機控制單元、減速器三部分:

多數時候,用戶需求決定了產品技術的演進方向。

人們對動力單元的核心需求無外乎是:

①響應要快,動力要猛;

②效率要高,能耗要省;

③故障率低,皮實耐用,穩(wěn)定可靠。

更多的潛在需求在于:

①集成度足夠高,給車內及前后備箱騰更多空間;

②成本合理(最終會反映到車價上);

③高轉速時不要嘯叫吵人;

下圖匯總了電車動力單元的核心要素,其實電驅系統(tǒng)的技術和進化都是圍繞著這幾個方面展開的。

1、電機動力目前已經夠用,壓榨潛力和必要性不大

在電驅最重要的“動力”屬性上,目前大多數的電車都存在動力過?,F象,以36w+的特斯拉Model3P 為例,加速可以秒掉200w左右的性能油車,3w的宏光MiniEV 起步提速甚至要比很多油車要直接。

也就是說,電機動力在目前在多數電車上已經夠用,傳統(tǒng)油車的大馬力溢價,在電車上已經變得不值錢。上圖列出的高功率密度電機,給人的感覺就是電車馬力跟白給似的...

車企與其在現有綽綽有余的電機功率上,再花大成本研發(fā)新的動力品臺,提高動力參數,倒不如把成本分攤到其他用戶更能感知的地方。

當然,對于少數追求絕對動力加速的性能電車,如特斯拉ModelS Plaid、Lucid Air sapphire、悍馬EV、保時捷TaycanTurboS等車型。

這里面有一些新的提升動力的關鍵技術:

如扁平繞組線圈、端部換位提高槽滿率、優(yōu)化轉子結構等方法提高磁滿率,進一步提高電機功率和功率密度。

近幾年也越來越多車型搭載直瀑式油冷電機,讓電機冷卻降溫更高效,幫助功率輸出連續(xù)不衰減。

也有通過智能算法優(yōu)化電機動力輸出,來實現更好的動力、能耗、操控穩(wěn)定的。

個人覺得認為上面的技術都算是電驅核心技術!

2、電機能效已接近瓶頸,提升能效需要指望碳化硅的應用

基于第1部分,電機動力對多數用戶已經夠用甚至過剩的前提,下圖是某電機能效Map圖,可以清楚看到,在多數日常使用轉速區(qū)間內,電機的能效都是在90%以上的。

而且目前多數新能源車型搭載的電機最佳能效在90%~95%,甚至部分高效電機達到了96%,此時想要在現有基礎上繼續(xù)提升電機能效,付出的成本將是倍數級增加,對于車企和用戶都不那么太劃算。

△ 某電機能效MAP圖

于是提高電機控制單元中的主逆變器能效,成為提升整個電驅系統(tǒng)能效的新方向。

也就是用SiC碳化硅模塊替代目前主流的IGBT模塊!

△ 碳化硅材料優(yōu)點

碳化硅SiC MOSFET的優(yōu)點有很多,體積小利于封裝和集成、開關/導通響應快且損耗更小、耐壓值高(是硅基的10倍)、導熱率高利于散熱,及更高的功率密度等。

△ 碳化硅優(yōu)勢原理解析

最重要的是使用SiC碳化硅模塊的電機控制單元,相比IGBT模塊方案,可以實現從電池到電機路徑,約5%的效率提升,也就是能給整車省去約5%的能耗。

相比車企多用5%續(xù)航所對應的電池成本,還徒增車重帶來的負面影響,即便是當前成本相比IGBT更高的碳化硅模塊,也是最好的選擇!

另外相比IGBT,碳化硅更耐高壓的優(yōu)勢(千伏以上),更適用于后續(xù)更多新能源車型將要搭載的800v電氣架構,不止用在主逆變器上,還可以應用到高壓充電樁、高壓電池Pack、OBC充電機、DC-DC轉換器上,將有更大的用武之地,能給整車能效和充電體驗帶來進一步提升!

△ 碳化硅器件在新能源車中的應用

這里要特別表揚下國產品牌比亞迪,BYD是全球唯一實現碳化硅器件自研自產的車企!

3、集成化大有可為,已是大勢所趨,跨系統(tǒng)整合能力會是最核心的技術競爭力,用戶價值更高!

上面主要談的是電驅系統(tǒng)單個零部件的升級和優(yōu)化,電驅系統(tǒng)零部件的多合一大集成目前已是行業(yè)大勢所趨!

高度集成的電驅系統(tǒng),優(yōu)勢有很多:

大大節(jié)省體積和減重、降低整體BOM成本、提高一體化裝配效率、提高電驅系統(tǒng)整體功率密度等...

對于用戶的價值在于,小體積省去更多Layout空間,能得到更大的車內空間和前后備箱容積;減輕重量意味著相同電量能跑更長的續(xù)航里程;同時BOM降本也間接降低了用戶的購買成本。

電驅系統(tǒng)的演進歷史,大致可以分為3個階段:

15~17年的分體式三大件→18~20年三合一成為主流→21~現在的多合一大集成階段。

下圖整理了電驅系統(tǒng)的演進路線,更加直觀易懂!

△ 電驅系統(tǒng)發(fā)展演進路線

雖然多合一只是多系統(tǒng)零部件的組合集成,但跨部件、跨領域的系統(tǒng)集成,是非??简灱夹g和工程能力的,目前只有為數不多有積淀的大廠能夠做到。

相比于電機功率提升和能效優(yōu)化,多合一大集成的所帶來的綜合收益會更加明顯,是當之無愧的新能源汽車電驅系統(tǒng)最重要的核心技術之一。



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