纯电动车动力总成关键零部件现状及发展趋势
摘 要：随着能源及环保问题日益突出，新能源汽车越来越受到大众的重视和认可。近年来，国内新能源汽车发展迅猛，其中纯电动汽车表现尤为突出。介绍纯电动车动力总成系统的特点及其关键零部件电机控制器、驱动电机和减速器的现状及未来发展趋势。纯电动车动力总成系统主要包括驱动电机，电机控制器和减速器三个部分。动力总成系统的性能直接决定了整车的动力性、经济性，对NVH 和EMC 也有着重要的影响[1]。驱动电机将电能转换为机械能；电机控制器使动力总成尽可能的工作在理想状态；减速器通过减速增扭，使输出的转速扭矩符合车辆行驶的要求。一般来讲，汽车起步时转速较低，但需求扭矩较大；运行起来，尤其是在高速运行时，希望系统有较宽的恒功率区。同时，汽车还应具有良好的舒适性和操作稳定性。以上特点要求驱动电机具有高转速、高扭矩、高功率密度、低转矩波动、低噪声等特点。同时，在低速时控制器要具有高过载能力( 一般会超过额定电量的两倍)；较宽的恒功率区，要求控制器有较强的弱磁能力。众所周知，制约新能源汽车发展的一个主要问题就是续航里程，所以要求动力系统的每个零部件都要尽可能的高效，在不增大电池容量的前提下，尽量提高续航里程。目前的动力总成系统的峰值效率都达到了95% 左右。在进行系统设计时，一般会通过减速器速比匹配、电机标定等手段，使系统的高效工作区与车辆行驶最经常运行区域相重合，峰值效率最好对应使用最频繁的工况。目前绝大部分控制器使用的都是IGBT，IGBT 发明于上个世纪80 年代初，学名绝缘栅双极型晶体管，是国际上公认的电力电子技术第三次革命最具代表性的产品。长期以来，IGBT 的核心技术都掌握在欧美和日韩手里。为了实现技术突破，“十二五”期间国家列入重大技术突破专项中。在众多企业坚持不懈的攻关和研发下，IGBT 关键核心器件已经被攻克，市场份额逐年上升。和国外先进的IGBT 相比，从技术、工艺、效率、材料等多个方面，我们都还是有明显不足的。IGBT 的技术关键有两点，一是散热，二是背板工艺。而其中最关键的是材料科学，中国还是相对薄弱。未来的发展趋势是SiC( 碳化硅)，目前普遍认为碳化硅比IGBT更先进，因为碳化硅可以通过大幅度提高电机的转速实现电机比功率的升高，符合目前高转速趋势的需求，而且他的频率和效率很高，体积却非常小，符合轻量化的趋势。碳化硅还具有在高频率时损耗低的优势，能将车辆的效率再提高10% 左右，这意味着续航里程可以得到极大的提升。目前阻碍碳化硅发展的主要是价格，SiC 材料的成本据估算是IGBT 的10 倍左右，碳化硅全面取代IGBT 预计还需要5 到10年的时间。目前行业对交流异步电机、永磁同步电机及开关磁阻电机关注度较高[2]。永磁同步电机具有效率高、转速范围宽、体积小、重量轻、功率密度大、成本低等优点，成为纯电动乘用车市场的主要驱动电机。从行业配套来看，新能源乘用车主要使用的是交流感应电机和永磁同步电机。其中，永磁同步电机使用较多，因其转速区间和效率都相对较高，但是需要使用昂贵的系统永磁材料钕铁硼；部分欧美车系采用交流感应电机，主要因为稀土资源匮乏，同时出于降低电机成本考虑，其劣势主要是转速区间小，效率低，需要性能更高的调速器以匹配性能，比如两档减速器。整体来看，我国驱动电机取得较大进展，已经自主开发出满足各类新能源汽车需求的产品，部分主要性能指标已达到相同功率等级的国际先进水平。但是在峰值转速、功率密度及效率方面与国外仍存在一定的差距，在材料和生产工艺方面仍有待提高。目前行业对轮毂电机还是以观望为主，仅部分电机企业，而且主要是外资企业在进行相关研发工作。没有成熟量产车的支撑一级轮毂电机的高成本和系统复杂度尚未解决，轮毂电机发展较为缓慢。目前，全球主流纯电动汽车均采用电机匹配单级减速器的架构[4]。从结构上来说，单级减速器不需要换挡机构、同步器和离合器，结构相对简单且容易实现，因此为车企所广泛使用。电机的工作范围较广，但相对来说，在中低转速的情况下，电机的扭矩非常足，工作效率也相对较高。但在高转速的情况下，电机的效率和扭矩则会急速的下降。而二级变速器的作用就是使电机尽量工作在高效率的转速区间，从而达到降低损耗、提高续航里程等效果。与单级减速器相比，二级变速器可节省的电量高达10% 左右。从技术层面来看，未来动力总成系统的高度集成一体化趋势已经十分明显[5]。目前各厂家纷纷投入人力物力进行一体化动力总成的研究，部分一体化动力总成已实现批量生产。将动力总成系统中的核心部件和控制系统高度集成一体化，不仅可以提高系统的功率密度，减少能量在各个环节的损耗，提高能效，增大续航里程，同时能降低成本，减少体积、实现轻量化。此外，为了提高功率密度、减小体积、实现轻量化，驱动电机转速越来越高，目前转速普遍集中在12000r/min 左右，但新一轮的产品转速普遍在16000r/min 左右，少数企业已经在开发18000r/min~20000r/min 的产品。在未来几年的纯电动乘用车市场上，电机控制器IGBT 有被碳化硅取代的趋势；永磁同步电机仍将占据主流。随着轮毂电机技术的逐步成熟和成本的下探，其在纯电动乘用车市场的配套量会有一定的增长；单级减速器目前仍然是纯电动车的主要选择，但是随着相关技术的成熟，二级变速器未来有望成为一大趋势；纯电动动力总成系统高度集成一体化趋势将会越来越明显。作者：马 肖, 张宏超, 赵 坤, 韩 旭, 周有为作者单位：（中国汽车技术研究中心有限公司, 天津 300300）免责申明：本公 众 号所载文章为本公 众 号原创或根据网络搜索编辑整理，文章版权归原作者所有。因转载众多，无法找到真正来源，如标错来源，或对于文中所使用的图片，资料，下载链接中所包含的软件，资料等，如有侵权，请跟我们联系协商或删除，谢谢！ 著作权归作者所有，欢迎分享，未经许可，不得转载
首次发布时间：2023-04-15
最近编辑：1年前
作者推荐
