国内厂商对于汽车电动化的目光重点聚焦在动力电池系统上,而对于驱动系统市场主导权争夺的主要是国外的零部件大厂。本篇小编带大家一起关注同样潜力巨大的驱动系统电动化市场最新动态。

【文/电动汽车资源网
唐让其】
2016年10月14日科技部高新司发布《“新能源汽车”试点专项2017年度项目申报指南建议》,要求2017年重点项目,乘用车电机峰值功率密度≥4kW/kg,连续功率密度≥2.5kW/kg,电机最高效率≥96%,装车应用不低于25000台;商用车电机峰值转矩密度≥20Nm/kg,连续转矩密度≥11Nm/kg,电机最高效率≥96%,装车应用不低于5000台。因此,技术指标的提高,从而影响着驱动电机技术路线的方向,推动驱动电机相关技术的升级。

伴随汽车电动化的快速发展,影响电动汽车驾驶性能及成本的驱动系统预计也将进入飞速成长阶段,各种各样的公司展开了激烈的主导权斗争。从所谓的大型电器件供应商,到电机、逆变器等大型车载零部件制造商、以及提供功率器件和无源器件的领先设备制造商,各家企业都加强了新产品的开发、以及生产开发体制的强化。

永磁同步电机成主流,是否是未来趋势?

围绕驱动系统的开发竞争日益激烈。由于目前还没有掌握绝对主导权的零部件制造商,各种供应商鱼龙混杂,都加大了产品开发的投入力度。

据了解,永磁同步电机应用越来越多,电压等级不断提高,转速也越来越高。根据电动汽车资源网统计,在2017年第一批推荐目录中,有150款车型搭载了永磁同步电机,占比81%;搭载交流异步电机的车型有33款车型,占比18%;未知2款车型。

电驱动市场争夺战愈演愈烈

www.4001.com 1

1.新的对手相继加入

项目

竞争激化的表现就是新的对手不断加入。其中,最为气势凌人的是日本电产。

直流电机

日本电产之前主要生产用于电动制动器的EPS电机,现在则开始商业化具有更高输出功率的驱动电机。未来还计划自产逆变器和减速器,进行一体化销售。到目前为止,在车载领域主营电动转向电机、电动制动器用途的中小型电机、以及短距离运输用途的商用低速驱动电机。今后,则将全面进入驱动系统业务。该公司2017年9月发布的以小型轻量为主打的新产品‘E-Axle’就是这一信号的“先行官”。

交流异步电机

2.上游元器件厂商进入下游供应链

永磁同步电机

驱动系统供应链“上游”侧的元器件制造商也正在进入“下游侧”的逆变器业务。例如,2016年TDK与东芝合作成立了开发,生产和销售逆变器的合资公司,预计2018年会正式开始产品的销售。

开关磁阻电机

在汽车领域,TDK原本在电动机用钕磁铁和混合动力汽车DC-DC转换器中具有优势,再增加一个逆变器事业,期望由此强化其整个汽车电子关联业务。

功率密度

此外,专攻逆变器所需功率器件的富士电机,掌握逆变器输入侧安装的平滑薄膜电容器绝大部分份额的松下等等公司,都加入到了逆变器的商业化竞争中。

3.随着“电动化市场“的飞速扩张,新的机会出现

根据英国调研公司IHS
Market的预测,电动汽车将在2020年左右开始迅速增长,至2029年电动汽车将占到所有汽车出货量的一半左右。

说到电动汽车电机,目前为止主流的汽车厂商针对HEV或者PHEV主要都是采取内部生产的体制。但是今后,随着电动汽车的增加,预计汽车厂商外部采购的需求会增加。例如,本田与日立汽车系统在2017年7月联合组队,成立了开发,生产和销售电动汽车驱动电机的合资公司,预计面向数量巨大,降本要求强烈的普通价格段电动车辆电机,本田会首先考虑从这个新公司进行采购。

较高

此外,中国市场从2018年开始将实施“NEV法规”,2019年开始对新能源汽车销售比例进行规定,由此可以预见未来驱动系统市场将会进一步大幅增长。

功率因数

4.通过开发新产品或增加产能迎接竞争

/

由于大部分汽车厂商都自己生产驱动系统相关产品,所以目前没有市场份额相当大的厂家存在,包括大型零部件供应商在内的行业新加入者,几乎都处于同一起跑线上。因此,各家之前专攻电机、电频器、或减速机的厂家,都加入到了新产品开发与生产体制强化的运动中,以此迎接竞争。

82-85

例如,德国零部件供应商博世开发了一种集成了电机,逆变器和减速机的小型化驱动系统,利用该系统作为武器,博世有望使其驱动系统业务增长到10亿欧元(约合1300亿日元)的规模。

90-93

在汽车逆变器方面大有优势的三菱电机也已经开始增加生产设备,投资约70亿日元在姬路制造所広畑工厂内建设了新的厂房,新厂房不是单纯的增加电动汽车逆变器产能,而是强化包括了起动功能与发电功能的“电动发电机”的整体生产体制。

60-65

体积更小,成本更低的驱动电机

峰值效率

围绕驱动系统的主要竞争主轴就是高效化,小型轻量化以及成本降低。许多制造商都试图通过整个驱动系统来实现这些目标,而不是依靠诸如电机、逆变器或减速器的单个单元。

85-89

2016年后本田混合动力车上采用的全新结构驱动电机。与传统的驱动电机相比,在保持相同输出和扭矩的情况下,体积和重量分别减少了大约23%。因此,包括逆变器和减速器在内的i-MMD驱动系统的小型化成为可能。现行雅阁的HEV款中采用的2电机驱动系统,与使用常规电机相比,高度缩减了9.2%,宽度缩减了9.7%。

90-95

由于驱动系统变小,可以轻松地横向部署到更多车型上。而采用常规电机的驱动系统尺寸,能够横向部署的,以sedan车型为主,也就2~3款车型。

95-97

本田将以新型结构电机为标准,根据各个车型的要求稍作修改,从而应用到各种HEV车型上。通过批量生产结构大致相同的电机,从而降低零件的采购成本和制造成本。

80-90

1.增加线圈的占积率

负荷效率

为了实现电机小型化,本田增加了绕线的占积率,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%。

80-87

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。

90-92

2.缩短线圈末端

85-97

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。本田技术人员认为线圈末端部分“对电机工作没有贡献”。

78-86

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。

过载能力

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。

200

3.采用低成本易采购的电磁钢板

300-500

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。

300

小型化、轻量化趋势

300-500

近年,关于电动车辆驱动系统的一体化研究非常活跃,通过电机、逆变器,减速齿轮3个部件一体化,可以实现高效、小型和轻量化,同时降低成本。而将驱动系统安装在车轮内的轮毂电机,更是进一步推进了小型化和轻量化。

转速范围

1.一体化实现小而高效

4000-6000

机电一体化活跃的原因在于可以实现驱动系统的小型轻量化以及降低成本,提高效率。如果是电机与逆变器一体,逆变器配置在电机旁边,连接电机与逆变器的线束就可以缩短或者置换。由此,减小了尺寸和重量,还降低了线束产生的损耗。又如果与减速箱一体,那齿轮的润滑油和电机的冷却油就可以共用,精简了冷却机构,可以轻松实现小型化。

12000-15000

例如,博世生产的电机、减速箱、逆变器三位一体的驱动系统,与传统驱动系统相比,体积得到了大幅减小。

4000-10000

三位一体的驱动系统方案不止一家,例如博世,GKN
Driveline,三菱电机和舍弗勒。不仅实现了逆变器与电机之间的连接配线缩短,尺寸更小,还降低了连接部位的电力损耗,提升了驱动系统效率。

>15000

2.加入车载充电器功能

恒动率区

各家制造商为了使产品具备吸引力,在其展出的机电一体化驱动系统上,充分地利用自家所长,增加附加功能。

/

例如博世的三位一体驱动系统,电机的最大输出功率可达到50~300kw,电机与减速箱组合系统的最大扭矩可达到1000~6000Nm的宽广范围。

1:05

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。

01:02

3.增加减速比成为趋势

1:03

机械零件具备优势的厂商则是将减速器作为了强项。例如,舍弗勒(Schaeffler)公司,在三位一体的驱动系统中使用了减速比约为15的高速减速器。其他公司的减速器一般减速比约为10,即使高速也最多13左右。减速比越高,作为系统越容易提高转矩。因此,与减速比为10左右的驱动系统相比,能够在利用高速旋转的小型电动机的情况下获得相同的扭矩,也就是说,实现了小型化。

过载系统

4.轮毂电机成为可见现实

2

驱动系统小型轻量化最前沿的技术就是轮毂电机成为可见现实。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。此外,还可以独立地精准控制4个车轮的控制力,由此可以防止车轮打滑和空转等,提高了安全性。同时还能抑制转弯时产生的倾斜滚动,或者突然加速或急刹时车体前后的摇晃,提高了舒适性。此外,还有一个优点是四轮驱动车容易追加产品系列。前轮驱动,或后轮驱动的车辆上增加2个IWM的话,就可以小改动轻松实现四驱化。

3-5

5.通过SiC功率元件实现逆变器的小型化

3

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。而且本身驱动系统就存在小型化需求,所以需要逆变器尺寸能进一步减小。换句话说,逆变器的小型化是加速电动化的关键。

3-5

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。

可靠性

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。

上述模块中,半桥电路由SiC MOSFET与SiC肖特基势垒二极管(Schottky Barrier
Diode, 缩写成SBD)组成。SiC功率器件由于损耗小,适合小型化。

较高

从事驱动系统开发的各厂家负责人纷纷发表意见“2020年之后量产的下一代产品将以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吧。

较高

结构空调性

较高

体积

重量

调速控制性能

很好

电机成本

控制器成本

制表:电动汽车资源网(www.evpartner.com)

从表格上看,开关磁阻电机的优势较为明显,开关磁阻电机结构和控制简单、出力大,可靠性高,成本低,起动制动性能好,运行效率高。但为什么其没有被广泛应用在电动汽车上?主要因素在于1.脉动因素而导致的成本增加;2.脉动转矩造成噪音;3.非线性严重。4.正在不断探索和开发中。

从表格中看出,永磁同步电机功率密度高,可靠性高,功率因数高,较高的转速范围,调速控制性能好,具有较宽的调速范围。永磁同步电机没有励磁损耗和散热问题,电机结构简单,体积比同功率的异步电机小15%以上。

而永磁同步电机比交流异步电机的优势在于:效率高,更加省电;功率因数高;电机结构简单灵活;可靠性高;体积小,功率密度大;起动力矩大、噪音小、温升低。

不过,永磁同步电机也有它的缺点,和直流电机相比,它没有直流电机的换向器和电刷等,需要更多维护,给应用带来不便的缺点。相对于异步电动机而言,永磁同步电机则比较简单,定子电流和定子电阻损耗减小,且转子参数可测、控制性能好,但存在最大转矩受永磁体去磁约束,抗震能力差,高转速受限制,功率较小,成本高和起动困难等缺点。

SiC第三代宽禁带功率器件成趋势

SiC应用于车用电驱动系统,其良好的高温和高频特性(开关频率可达100kHz)有望为车用变流器带来革命性变化。《“新能源汽车”试点专项2017年度项目申报指南建议》资料显示,对SiC第三代宽禁带功率器有特别的要求,要求“宽禁带电力电子模块电流≥400A,电压≥750V;电机控制器峰值功率密度≥30kW/L,匹配电机额定功率40-80kW,最高效率≥98.5%;产品装车应用不低于1000套。”

www.4001.com,功率器件有四大类,即逆变器、转换器、直流斩波器DC/DC转换器、矩阵转换器。而功率器件最为重要的指标是损耗,如碳化硅功率模块与采用硅基IGBT的功率模块相比,可将开关损失降低85%。

目前,国内外半导体材料主要有Si、碳化硅、氮化镓、砷化镓、氧化锌、金刚石、氮化铝等。以Si为代表的传统半导体功率电子器件的发展已经接近材料的极限,在摩尔定律的规律下已经走过了50多年,不能满足器件应用不断发展的要求,寻找新的半导体材料替代硅已经成了近些年半导体发展的方向之一。而有着更高禁带宽度的第三代宽禁带半导体材料开始逐渐走向研究与应用,最为前沿且成熟的技术就是SiC与GaN。

SiC肖特基二极管已经有10年以上历史,但SiC MOSFET、SiC JFET和SiC
BJT近年才出现,GaN功率器件更是刚刚才在市场上出现。因此,相比而言,GaN要实现产业化还需要十几年时间,甚至更长时间,而SiC实现产业化近在咫尺。

半导体

Si

CaAs

4H-SiC

6H-SiC

CaN

特征

单位

带隙基准源

eV

1.1

1.42

3.2

3

3.49

电子迁移率

cm2/Vs

1500

8500

900

400

900

50-100

1000-2000

饱和电子速度

107cm/s

1

1.3

2

2

2.5

绝缘击穿场强

MV/cm

0.3

0.4

2

2.4

3.3

导热性

W/cm K

1.5

0.5

4.5

4.5

>1.5

相对磁导率

∈r

11.8

12.8

9.7

10

9

BFM

1

15.6

130

110

650

BFHM

1

10.8

22.9

16.9

77.8

相对于Si而言,第三代半导体材料SiC与CaN的优点更明显,主要优点如下:

从上表格可以看出,SiC与CaN带隙都大于3.0eV,是Si的3倍左右。SiC与CaN器件禁带宽度大于Si,大大降低了器件的泄漏电流,使其具有抗辐照的特性。

SiC与CaN的工作温度要大于Si,理论上SiC工作温度可达到600℃,在高温场合的优势明显。

从表格可以看出,绝缘击穿场强度大,SiC击穿场强度达到2MV/cm及以上,CaN击穿场强度更高,为3.3MV/cm,是Si的十倍。这样大大提高了功率器件的耐压容量、工作频率及电流密度,同时也大大降低了器件的导通损耗。

从表格可以看出,SiC还由于有较高的饱和迁移速度和较低的介电系数,是Si的2倍,使得SiC器件具有好的高频特性。

从表格可以看出,SiC的热导性为4.5W/cm
K,要高于Si的热导率,散热性较好,提高SiC功率器件的功率密度和集成度。

根据蓝皮书文摘,SiC器件应用将呈现如下趋势,一是提高开关频率和母线电压,一方面降低系统对电容、电感等无源器件的要求,另一方面允许电机转速增大,减小电机额定转矩,从而实现控制器成本的进一步压缩;二是,提高功率器件的结温,便于利用高温冷却液,或者应用风冷散热方法,在降低散热系统成本的同时,提升控制器功率密度;三是改进芯片特性使之接近理论极限并提高成品率,减小芯片成本;四是改进电磁兼容性能,对SiC器件引起的电磁干扰的产生机理和抑制方法进行深入研究。

驱动系统集成化成未来趋势

驱动电机的发展,越来越朝着低成本、轻量化、小型化、高效率、集成化方向发展。而集成化为小型轻量化、低成本与高效率的最快实现成为可能。通常驱动系统集成化包括两大类,按照蓝皮书的归类为机电集成与电力电子集成两类。

蓝皮书记载,机电集成主要包括电机与发动机总成或电机与变速箱的集成,其特点是通过高效/高速电机与高效传动的集成,以提升驱动系统效率、功率密度,以降低成本。电力电子集成方面,主要基于ICBT器件、电容、高效散热技术的高功率密度电力电子集成技术,以实现车载电力电子系统的功率密度倍增,降低成本;电机控制器与车载充电机有机拓补集成,可实现大功率快速充电。同时,以数字控制为基础,功能安全设计为目标、电磁兼容为约束的高可靠性、多拓补组合的车载电力电子集成技术,向着满足ISO26262的汽车工业产品安全设计的方向发展。

随着电机技术与控制技术的不断升级,轮毂电机也广泛应用在电动汽车上。轮毂电机很早就被应用在汽车上,如日本TEPCO公司1991年上市的IZA纯电动汽车采用轮毂电机四轮驱动。轮毂电机通过把电机集成在轮毂内,高度集成化,其布置方便、动力控制灵活、易于实现制动和能量回收、能够节省车身控制、车身设计自由度高、简化传动系统等优势,将是驱动系统发展的一个重要方向。

而随着电子技术的发展,DSP电动机控制芯片日益成熟,基于CAN总线的全数字控制系统成为电动汽车控制系统硬件组成的重要模式,电机控制系统集成技术也不断成熟。而驱动电机控制系统将会朝着小型化、轻量化、易于产业化、高容量、高效节能、响应迅速、调速性能好、可靠性高等发展。

总体而言,电动汽车电机技术未来将会重点发展永磁轮毂电机和开关磁阻电动机,尤其是永磁轮毂电机,并且结合第三代宽禁带功率器件和电控系统同步发展。未来电动汽车电机将会朝着高效化、小型化、轻量化、集成化发展,价格更低,性能更高!(来源:电动汽车资源网
唐让其)

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