|
1 新能源汽車專有技術(shù)研究范圍和內(nèi)容 新能源汽車是在傳統(tǒng)汽車產(chǎn)業(yè)鏈基礎(chǔ)上進行延伸，結(jié)構(gòu)上與傳統(tǒng)汽車的最大區(qū)別在于動力系統(tǒng)，增加了電池、電機、電控系統(tǒng)等組件。 基礎(chǔ)部件材料研究：包括動力電池材料研究、單體電池、電池模塊、電池系統(tǒng)以及結(jié)構(gòu)輕量化材料。 汽車動力系統(tǒng)研究：包括電化學(xué)動力系統(tǒng)、高溫電力電子研究和混合動力發(fā)動機系統(tǒng)研究，具體包括電機設(shè)計、逆變器和充電裝置研究。 網(wǎng)聯(lián)車輛信息研究：汽車電子方面、車輛智能化研究和交通網(wǎng)聯(lián)研究。 電子控制與智能技術(shù)：包括電空調(diào)、電子制動、電子轉(zhuǎn)向、智能安全輔助和智能駕駛以及智能制造（制造信息化與車身輕量化）。 新能源技術(shù)：包含低碳與可再生能源、氫電基礎(chǔ)設(shè)施和能源互聯(lián)網(wǎng)。 電機控制器（MCU）：接收來自整車控制器的指令，將動力電池直流電流進行逆變控制，形成三項交流電進行電機轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速控制，并檢測電機及控制器狀態(tài)進行敀障診斷。 整車控制器（VCU）：將駕駛員意圖通過加速踏板信號轉(zhuǎn)換為動力系統(tǒng)的需求信號，對整車能量進行管理，對各系統(tǒng)進行監(jiān)控并及時反饋信息和報警等。 2 關(guān)于功率密度 在功率密度方面，美國能源部的報告要求驅(qū)動系統(tǒng)（電機 電控）的峰值功率密度在2020年達到5kw/L，2025年大幅提升到33kw/L，分解到電控是100kw/L，分解到驅(qū)動電機是50KW/L。 注：美國認為體積涉及到汽車的有效空間利用和乘客體驗，從商業(yè)層面上講，功率體積比的概念要比功率重量比更重要。 橡樹嶺實驗室就在2017年開發(fā)出一款電機產(chǎn)品，這款電機是鐵氧體永磁同步電機，轉(zhuǎn)子采用雙層SPOKE結(jié)構(gòu)，經(jīng)過測試這款峰值功率為103kw的電機，轉(zhuǎn)矩密度比prius2010提高了10%，最高轉(zhuǎn)速提高了20%。 如果以9000rpm 103kw的峰值工況工況計算，該電機功率密度達到10.3kw/L，成本降低到4.4＄kw，其采用的核心創(chuàng)新點就是無稀土技術(shù)和自動優(yōu)化算法。 橡樹嶺國家實驗室（Oak Ridge National Laboratory）是美國能源部所屬的一個大型國家實驗室，成立于1943年，最初是作為美國曼哈頓計劃的一部分，以生產(chǎn)和分離鈾和钚為主要目的建造的，原稱克林頓實驗室。 2000年4月以后由田納西大學(xué)和Battelle紀念研究所共同管理。他們的使命是攻克美國當(dāng)下面臨的最嚴峻的科學(xué)難題，并且開發(fā)新技術(shù)，為人類創(chuàng)造更加美好的生活。 3 新能源汽車對驅(qū)動電機的要求 車用驅(qū)動電機是電動汽車動力系統(tǒng)的核心關(guān)鍵部件，其性能的優(yōu)劣直接影響到車輛的整車性能。 我國自主開發(fā)的永磁同步電機、交流異步電機和開關(guān)磁阻電機已經(jīng)實現(xiàn)了與國內(nèi)整車企業(yè)的中小批量配套，產(chǎn)品的功率范圍覆蓋200kW以下整車的動力需求。 與此同時，以美國、歐洲和日本為主的提供新能源汽車驅(qū)動系統(tǒng)的企業(yè)發(fā)展迅猛，在降低電機生產(chǎn)成本、改善電機效率及電機和發(fā)動機一體化設(shè)計等方面取得了長足進展，產(chǎn)業(yè)鏈逐步完善，配套能力不斷提高。
4 車用驅(qū)動電機與工業(yè)電機對比 與一般工業(yè)用電機不同，用于汽車的驅(qū)動電機應(yīng)具有調(diào)速范圍寬、起動轉(zhuǎn)矩大、后備功率高、效率高的特性，此外，還要求可靠性高、耐高溫及耐潮、結(jié)構(gòu)簡單、成本低、維護簡單、適合大規(guī)模生產(chǎn)等。 4.1 封裝尺寸方面
4.2 工作環(huán)境方面
4.3 可靠性要求
4.4 冷卻方式
4.5 控制性能
4.6 功率密度
▲BMW i3 Electric Drive unit 4.7 成本方面 對于峰值功率100kw的驅(qū)動系統(tǒng)，2020年系統(tǒng)成本要求8美元/kw，分解到電機是3.3美元/kw，電控2.7美元/kw；2025年系統(tǒng)成本要求6美元/kw。 BMWi3 2016版本的驅(qū)動系統(tǒng)技術(shù)指標有一定進步，其電機的功率密度達到9.2kw/L，電控的功率密度達到18.5kw/L，超過2020年目標水平，但未達到2025年水平，其成本數(shù)據(jù)也未公布 5 車用電機分類和技術(shù)特點 目前在用或開發(fā)的電動汽車用電動機主要有直流電動機（DCM）、感應(yīng)電動機（IM）、永磁電動機（PM）、開關(guān)磁阻電動機（SRM）四類。 5.1 車用電機類型 按類型的話，驅(qū)動電機分為交流電機和直流電機，在直流電機方面，低速電動汽車主要用串勵電機和他勵電機。
5.2 在交流電機應(yīng)用方面
5.3 在電機類型和特點方面 在啟動性能、額定運行點峰值效率、高效率運行區(qū)占比、重量功率密度等方面，永磁同步電機優(yōu)于直流電機、異步電機、開關(guān)磁阻電機和無刷直流電機。 在恒功率速度范圍、轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定性、電機可靠性和NVH方面，永磁同步電機和感應(yīng)電機不相上下。
6 車用電機的使用要求對電機提出的設(shè)計要求 永磁同步電動機（PMSM）系統(tǒng)具有高控制精度、高轉(zhuǎn)矩密度、良好的轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)性以及低噪聲的特點，是一種比較理想的電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)。 6.1 動態(tài)性能要求 轉(zhuǎn)速范圍寬、轉(zhuǎn)矩過載比大、最高空載反電勢限制和最大電流限制
6.2 集成度要求 高持續(xù)功率密度、高峰值功率密度 6.3 全局高效要求 低能耗、更大范圍內(nèi)高效率、頻繁工作區(qū)內(nèi)高效率，具體方法：確定永磁電機基本設(shè)計參數(shù)，確定一組最小集合作為設(shè)計變量；用性能、效率和功率密度三個設(shè)計維度來描述。
6.4 高效區(qū)規(guī)劃 把基于額定工況的電機效率計算優(yōu)化為基于循環(huán)工況的電機平均效率計算，建立永磁電機高效區(qū)與電機參數(shù)的解析關(guān)系，事實上，永磁電機的高效區(qū)可以規(guī)劃，用以提升電動汽車的能量利用率。 6.5 高功率密度設(shè)計 損耗分配：合理分配電機各組件損耗，使各部分溫升維持在限度以內(nèi)，建立鐵損模型。
6.6 功率密度設(shè)計：建立功率密度自動尋優(yōu)流程。 利用熱網(wǎng)絡(luò)進行溫升計算，通過改進的優(yōu)化計算方法進行以溫升為邊界、面向效率的優(yōu)化設(shè)計。 6.7 電機降噪方法 6.7.1 電機極槽配合優(yōu)化：永磁電機低頻段的震動噪聲由電機極槽等設(shè)計參數(shù)有關(guān)，選擇合理的極槽可以降低電機低頻噪聲。 6.7.2 PWM（脈寬調(diào)制）優(yōu)化：PWM對永磁電機震動噪聲的影響主要分布在開關(guān)頻率及其倍數(shù)附近頻率，可優(yōu)化PWM策略，降低電機噪聲。
7 車用電控模塊 整車控制器相當(dāng)于汽車的大腦，負責(zé)在整車行駛過程中接收來自駕駛員的各項操作指令、病診斷分析整車及部件狀態(tài)，綜合判斷，向各個部件控制器發(fā)送控制質(zhì)量，是整車按照駕駛員預(yù)期安全行駛。 主要功能：
7.1 電力電子器件的發(fā)展階段 第一代：晶閘管、GTO、BJT、MOS，時間在90年代及以前 第二代：IGBT，時間在2000年以后 第三代：SiC、GaN，2020年以后 7.2 車用電控器件
7.3 DC/AC變換器 7.3.1 DC-AC變換器也稱為逆變器（inverter），即將直流電變換為交流電的電力電子功率變換器（power converter）。 7.3.2 逆變器的類型，依據(jù)直流電源的特性不同可以分為：
7.4 車用IGBT模塊發(fā)展趨勢 第一代：引線鍵合、單面冷卻 第二代：平面封裝、集成冷卻 第三代：集成型雙面冷卻 把溫度傳感器和電流傳感器功能集成，實現(xiàn)對整個芯片級的管理，同時集成水冷流道的散熱結(jié)構(gòu)。
（未完待續(xù)） 參考文獻：
|
|
|
