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王永炜:节能与新能源汽车电机总成

2016年11月26日—27日,百人会•清华大学新能源汽车产业高层研修班第三期四次课程在清华大学开课。目前,我国自主研发的核心零部件缺失,尚未形成技术壁垒,成为新能源汽车发展的潜在危险。掌握核心技术,提高产品性能及安全性,才能形成具有国际竞争力的品牌,支撑产业持续发展的根本保障。因此,此次课程的主题定为“电动汽车核心技术突破与创新”。

高层研修班作为中国电动汽车百人会为汽车产业服务的一个重要平台,时刻关注着汽车产业的相关热点话题。目前第三期研修班已围绕动力电池、新能源汽车产业投融资、智能汽车与交通等热点问题举办了三次研修班课程。

此次课程,精进电动科技(北京)有限公司产品总工程师王永炜为学员们带来了精彩的内容。


“汽车技术的四大趋势”

随着全球污染、技术、市场需求的变化,全球的汽车技术有四大发展趋势。

第一,汽车底盘电动化。电池、驱动单元跟底盘结合在一起,目前已经有很多车把电机做在车桥的总成上。

第二,汽车轻量化。随着续航里程的要求,电动汽车也朝着轻量化方向发展。在商用车方面,有些公司已经开发了全铝合金的车身,部分国外汽车企业已开发了碳纤维材料的车身。未来趋势是,车体、车架、各种部件都要有轻量化的要求。

第三,汽车智能化。因为有了电驱动,电机总成智能化相比传统燃油车更容易实现。

第四,汽车网联化。汽车网联化其实就是目前市场比较热的互联网造车以及智能驾驶等。

“中国发展新能源汽车的战略意义”

第一,缓解能源压力。中国是能源消费大国,57%的石油依赖进口,即将突破60%的安全。而推广新能源汽车可以减少运输工具对石油的依赖性,对二氧化碳减排起到很好的作用。

第二,缓解空气污染。尤其在北京,空气污染严重。减少机动车行驶和工厂排废气,成为了缓解空气污染的重要途径。

第三,改变自主产业链与经济增长点。国家也把电动汽车作为一个新的经济增长点。因为我国的传统汽车跟国外著名的汽车企业相比实力差距较大。而新能源汽车,尤其是纯电驱动的新能源汽车,是中国汽车工业新的起点。 


“电动汽车的部分动力总成模式”

汽车电动化给汽车电机也带来了多样的需求,包括混合动力、插电式混合动力、纯电驱动等多种模式。实际上,我国也有在发展多种模式。

>>>>  P2混合动力方案

P2方案有很多公司在做,目前流行的P2混合动力方案有两种模式,一种是水冷模式,另一种是油冷模式。

>>>>双电机分机系统

双电机分机系统也是一种能量的动力总成,通过减速器动力分配,形成一个新的混动系统。在一些驱动动力压迫比较高的一些车上,可以通过两台电机,一个是耦合,利用复合的动力分流器,实现百公里加速的要求,像特斯拉。 


“电动汽车的部分电机模式”

第一,集中绕组内置。集中绕组内置永磁电机的绕组高度较低,大概十几毫米左右范围之内,但是对功率要求较高。

第二,分布绕组。分布绕组一般都是采用双层绕组和单层链式绕组的结构,这种工艺难度较低,而且还容易实现自动下线,但是缺点是端部比较大,需要空间比较大。

第三,分段式扁线内置。分段式扁线内置这种结构是今年欧洲推出的一个结构。实际上,我们以前把这个结构叫做矩形导体结构,现在还有一个俗称叫“发卡”结构,实际上把导线展开做成“发卡”式。这种结构形状、端部很好,功率密度也比较大,但目前还没有完全推广。但现在问题在哪儿呢?我们的工艺方法还没有完全实现自动化,这是一个瓶颈问题。


“动力总成的部分集成化模式”

对于新能源汽车,无论是混合动力,还是纯电驱动等,全球的发展方向都是集成化。

集成化有几种模式,第一种模式,是将电机和减速向集成在一起,能够让空间相对缩小1/10的空间,而且功率密度都是有很高的提升。

第二种模式,是将电机和控制器集中在一起。这种模式有很多优点,第一,像我们水冷电机和纯电动方面,电机控制器会共用部分水道,水道共用对整体结构的优化也有很好的帮助。

第三种模式,本身系统是将减速器、变速箱、控制器都放在一起,但是只针对某一款车专用的。据了解,乘用车实际上是布置这些电动和混动的空间,每个车型都不一样,还没有形成标准化,也希望这个行业以后向标准化、通用化发展。


“电动汽车的电机选型”

目前还有一个问题,涉及到电机选型的问题,可以说在目前新能源市场上产品来定义,特斯拉推广的是异步三相电机,中国本土结合系统资源的优势,我们推广的是永磁同步电机,实际上还有一种电机也在特殊场合上慢慢的去推广或者在很多原先也在研发开关磁组电机,三种电机我看都可以在新能源市场上去开发和应用。但是开关磁组电机本身有一个缺点,力矩或者振动、噪音是比较大的,可能在一些乘用车方面推广是有限制的。但不管怎么说,三种电机都有一个特性,就是说本身固有属性,可能在某一个工作段的时候效率会很高,不可能在整个范围内都达到最优状态,所以基于这种为了满足整个车的需要,就派生了几种产品,第一个,电机与单减速器的集成,这是一个产品,相当于电机可以涉及到速度很高,通过减速器拉下来,接近柴油机或者汽油机的指标,再跟其他传统的动力设施配套,这种措施可以降低整车的重量,成本会降低,这是一种方式,通过把高转速电机拉下来,这样去驱动。

还有一种方式,在低转速时加上一个减速器达到动力转矩非常大的需求,高转速把减速器剥离出来。但是两档箱有一个关键技术需要突破:如何减少换档时候的顿挫感。这需要通过软件的控制来实现,相当于把两档箱阶梯式的操作变成平滑的操作,中间减少顿挫感,这个其实也是值得研究的课题。

双电机是最近开发的一个新结构方案,双电机结构中一个是偏低速、一个是偏高速,通过一个优化组合使在很宽的转速内都能保持很高的效率,也能有效节能。这个结构类似音箱,一部分是低音,一部分是高音,混合起来就很好了。双电机结构也是这样,在低速效率区由低速电机工作,在高速效率区的时候由高速电机工作,如此都可以得到很高的转速,从效率角度来说是节能模式。


“电动汽车电机未来的发展趋势”

第一,向高电压方向发展。我们的结论是,电压越高就可以产生更大的功率,电池充电时间也会缩短。由此一来,尤其是对于空间狭小又需要很多动能的车型,可能是一个很好的解决办法。我们也预见国内、国外很多主机厂有一样的需求。

高压接插件的成本,这上面可能高压配电,是按成本来算,尤其可能A0级小车,在选择电机的时候会综合考虑,可能会选择偏低电压的方案。但是从整个新能源或者纯电动汽车的发展趋势来看,高压应该是一个趋势。

第二,由单一减速向多档变速发展。就单独电机来说,要提高转速,它的电磁用量体积就要提高5倍。通过多档变速的模式可以结合传统车的经验,使得低速扭矩更大,运转更好。

第三,单电机向多电机发展。现在新能源汽车陆续向多驱动电机发展。最近有新的趋势,前面有主电机,后面有一个助力电机,助力电机是在一定的转速段或者一定需求情况下参与工作,提升它的动力性能。这也是一个很好的方案。

第四,控制软件向标准化方面发展,这也是必然的趋势。

第五,未来集成一体化水平会越来越高。一是模块化、一体化越来越简单。二是控制成本,因为有些电缆、高压接插件占的成本比例较高,如果集成一体的话,成本可能降低。

第六,控制器向多功能发展。现在已经有六合一的控制器,马上会研发出七合一、八合一的控制器。甚至有一个设想,把整个电动汽车上所有的控制器放在一起:助力电机、油泵电机、水动电机、转向、空气压缩机以及电机主驱动等都放在一个盒里,我觉得这也是个很实际的需求,这样就有一个厂家做这么一个大总成,直接到接口就可以了。

第七,单体供货向总成交货发展,这也是一个趋势。

第八,电机绕组向矩形高槽满率发展,因为现在很多产品对功率密度的要求越来越高。高槽满率这样的设计绕组形式,是一个法卡式的绕组。

第九,间接水冷向直接油冷发展。发展也结合了电机和减速箱的总成,是纯总成,把电机的部件放在减速箱里面,同时当电机转子加上电磁离合器,整个箱体的体积会很小。

第十,零部件的发展趋势是向一体化和拼块式方向发展。

第十一,电机生产向自动化、智能化发展。现在国内电机厂家非常多,大家都在解决这几个问题。一是采取的原材料是不是好的材料,加工工艺是否要求合理等。

第十二,电机的NVH(噪声、震动、声震粗糙度)将逐渐得到改善。在2015年,我们就认识到电动汽车的NVH会影响用户的舒适性体验。其中,电机的NVH是关键因素。关键技术不是电磁设计得多好,而是综合学科,所以我们在2015年就开展了课题研究,这是很庞大的多学科课题,包括电磁振动、噪音等。从电机角度来说,电磁高阶径向电磁波和电机本身固有的谐振频率遇到一起,产生了谐振现象,这就是所谓的高频啸叫。

NVH还涉及到几个电磁结构的发展趋势。一是永磁体产生的励磁,未来的发展会是让产生的磁场尽可能是正弦磁场。二是绕组波形的畸变率很低,尽可能接近正旋。我们在实验过程中发现了问题,电动汽车在空载时,NVH有些问题是反映不出来的。后来通过摸索规律,我们开始采用外特性测试,就是测试电机的最大功率,测试得出的是在电机承受范围之内最大的噪音,这个数值确实能深度地反映电机品质的问题。

此外,软件上也可以进行改进。在找到NVH的高磁谐波以后,反向算术他对应高阶径向电磁波,通过软件的修正也可以解决,我们现在通过多项措施,NVH能降低5分贝-13分贝左右。

除了做单独电机,还有做转向、多项动力总成之外,电机和本身控制器也是一个发展的技术路线。

   

(根据课程速记整理  经本人审阅)

 




(来源:中国电动汽车百人会 信息部)

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