2020全球供应链大会|上海电驱动张舟云:电机要专注提高材料利用率、工况匹配效率和品质

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9月16日,由南京市人民政府、中国电动汽车百人会共同主办的“2020全球新能源汽车供应链创新大会”正式开幕。本届大会以“如何做强汽车三条链,实现真正汽车强国”为主题,联合国内外整车厂、零部件企业、跨国公司,以及汽车产业界专家学者、政府有关部门代表,共同关注在全球汽车电动化转型持续深入的当下,汽车产业将如何关注产业链变革,以及怎样做好应对新时期的准备。

在9月17日下午举办的“电动化供应链的未来机会”主题峰会上,上海电驱动股份有限公司副总经理张舟云发表了精彩演讲,以下为演讲实录:

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张舟云:大家好,我下面要跟大家介绍的是电驱动系统,它包含驱动电机、电机控制器和减速器、变速器,还有一些机械的传动装置。

给我的题目是电驱动系统关键技术创新与产业升级,这里面涉及到的创新技术比较多,我重点针对纯电动汽车领域三合一总成相关的一些创新技术和涉及产业链相关内容做介绍。

这一页说的是乘用车对电机的需求,其实这里面的说法我们已经用了很多年了,近几年电机技术发展很快,现在从汽车应用来讲,需求也有很多方面的调整。大家现在更看重的需求就是我标红的几个地方:一个是集成化,电驱动总成要做得集成度更高,体积更小。当然要做到集成化涉及到机、电、热、磁和噪声等多个领域,是一个综合设计的过程。后面我还会单独讲集成化涉及到的一些技术问题,这是第一个需求。

第二个需求是要求电驱动产品的可靠,长寿命,要免维护等。从车辆应用来讲,要满足八年或者二十四万公里,但是现在实际用的话,有一些用作出租或者是运营,对车辆得寿命要求提高了很多,比如三十万公里、四十万公里等。从这个角度来说,对电驱动系统的要求就提高了。驱动电机里面涉及的一些材料需要考虑可回收,特别是电机总量增加以后,需要考虑怎么回收再制造等。第三个需求是噪声和电磁兼容,这是从车的品质来讲,也是我们一直在追求的。还有一个就是成本,成本其实从一开始就是我们面临的一个挑战,特别是近两年来说,对我们做驱动电机和电驱动的企业来说,挑战非常的大。怎么样在这么低的成本下,持续保持企业竞争力,在市场里面占据一定的份额,持续地投入一些新的技术,这个是我们各个电机企业都面临的一个问题。

现在大家还关注什么呢?关注电驱动系统本身的智能化、自身得健康诊断技术。电池的健康状态预测大家都很了解,其实现在对电机也有这方面的要求,我们正在考虑怎么样利用大数据资源,更好地监测和预测电机的寿命。另外一个就是功能安全,特别是两三年以后量产的汽车,对电机在功能安全方面的要求逐步提高。

对于我国驱动电机系统产业发展状况,我这里有三个小段落来概括。从电机来讲,整体上我觉得电机的设计和制造和国外相比还是相当的。从产业规模来讲,我国电机自动化生产线包括装备的水平也很高了,因为现在竞争的企业很多,相对来说电机行业产能是过剩的。从电力电子来说,前几年国内和国外的差距较大,经过这几年的努力,我们从器件到封装到逆变器整体水平提升很快,现在基本可以达到国外产品同类的水平。还有就是第三代半导体器件,以碳化硅器件为代表,特斯拉已经把碳化硅器件在Model 3批量应用。碳化硅器件的成本很高,我们一直在考虑在什么时间点可以大量应用。经过特斯拉的拉动以后,这个进程肯定会加快。我们国内也看到比亚迪的“汉”电动汽车也开始用了碳化硅器件。我个人觉得目前碳化硅器件的价格可能偏高,两到三年以后有可能在市场上可以看到越来越多的电动车应用了碳化硅逆变器。还有一个就是产业链,我们这些年一直在强调,一直在推动我们自主的产业链发展。电机和逆变器也是产业链的一部分,这个是属于中间环节,其实再往上一层,就涉及到了材料、IGBT这些核心的器件。经过这些年的发展,我们国家现在有比较多的企业能够实现IGBT的自主替代,而且在市场上也有一定的应用规模。

在乘用车电驱动总成领域,三合一总成已经是整个行业的共识,我们看到国内国外有很多的三合一产品在市场中应用。对比下来,我们国内三合一总成技术水平和国外相比,在总成体积密度、扭矩输出能力、效率水平等指标应该还是比较相近的。当然个别有一些产品最高转速是12000rpm,有的是16000rpm,但是从总成输出转速看还是比较相近的。而且我们国内也有出口到北美的案例,当然国外也有很多产品在国内市场配套应用,所以从总成层面来说,总体发展还是比较好的。

我再说一下为什么要用三合一集成。它有必要性,一是集成的结构非常紧凑,从车辆布置来讲,它可以做成比较好的平台化。2016年大众推出MEB平台的时候,就是明确的模块化总成。二是从零件本身来讲,集成后电机和逆变器的线束可以省掉了,对花键润滑和总成噪声都有好处。还有对零部件企业来说,如果能做到平台化的话,就可以用同一个机械布置,通过改变功率模块的大小和电机定转子有效长度来控制成本,匹配不同的车型的需求。同时可以考虑做集中采购来降低成本。为什么这么讲呢?因为有一些订单,如果在生产过程中出订单调整,用平台化的结构件就可以调整到其他订单上,这样从布局供应链、生产组织和进行备货等都非常有好处。

我们有一个125千瓦的三合一总成,功率范围是从95kW到145kW,最高转速都一样,电机铁心长度根据扭矩需求会有所变化,一套三合一总成可以匹配不同的车型应用,这就是一个很好的例子。

说到电驱动系统集成的创新技术主要包括机、电、热三个方面,机械设计中考虑扭矩的传递路径,就是怎么样把电机和减速器做集成;还有就是从电的角度做到电气与电磁的集成;热的角度重点是热管理集成,如将电机与减速器集中油冷,对于热管理非常有好处。

另外,我再说几个单项的技术。电机技术现在看到的就是扁线电机比较多。为什么?好处之一是扁线定子结构刚度较好,对定子端部的绝缘也有好处;另外,它在中低速区域的效率比较好,所以它比较适合城市工况的应用。当然也有一些问题,比如说高频的交流电阻带来的损耗增加等。所以扁线电机的应用要利用其优势。还有电机里面,稀土永磁大家也很担心资源的问题。我们国家的情况是重稀土少,但轻稀土很多,所以电机技术是通过重稀土掺杂和替代,怎么样减少重稀土的用量。

在电机控制器中怎么做集成呢?要根据逆变器集成来做功率模块定制化技术,通过定制化来提高集成度。还有现在大家都谈800V电压平台,800V电压从逆变器本身的设计开发来讲并没有太大难度,更重要的是要考虑充电的兼容性,这和车辆应用相关联。个人认为800V不是必然趋势,但是它是一种存在的形式,就是说在某一些车型中有应用。

除了逆变器本身集成外,车载电力电子部件的集成也是一个重要方面,包括集成逆变器、DCDC和车载充电机等等,这也是一个很重要的方向。

对于碳化硅器件应用,刚才我前面讲了,碳化硅的好处是高温、高效、高频,但是高频和高效相互之间是有约束的。如果开关频率提升较高,由于器件开关损耗和开关频率成正比,高的开关频率会影响碳化硅器件高效的发挥。所以我们在应用方面来讲,也就是说在需要用高频的时候再用。碳化硅器件为什么说大家这么看好呢?原因是和IGBT相比,碳化硅器件在中低速的电流比较大的时候,效率更高,因此对于城市工况的运行方式来评价能耗的时候有优势。从计算和实验数据看,基本可以保持5%左右的能耗节省。对于运营车量或者电量比较高的车型应用,用碳化硅器件虽然成本高一点,但是也有可能总运营成本能下降。

还有一个就是减速器,三合一总成离不开减速器。总体来讲,我们现在已经拥有了多种高速减速器样机和产品,但是减速器方面还有很多的事情要做,特别是关键零部件。

从总成层面,一个重要的指标是振动噪声,其实电机的振动噪声涉及面很宽,怎么样去提升它的性能,除了我们讲到的集成匹配以外,更主要的还要从控制和设计角度去抑制。总成的另一个指标是EMC,EMC现在难在什么地方呢?当前的产品水平是达到国家标准的二级或者三级,但是现在有一些车厂提出来要求达到四级或者五级,在三级的基础上怎么到四级的水平呢?这个是我们要攻关的。

在电驱动总成产业链方面,硅钢、磁钢、功率模块,包括不同封装的功率模块,其实我们现在都有产品,而且在市场上也有比较多的应用,如三合一系统的高速轴承和绝缘材料等。

小结一下,从电机来讲,瞄着怎么样继续提高它的材料利用率、工况匹配效率和提升品质。在控制器里面就是重点是提高集成度,提高功率密度和效率。还有就是一体化的电驱动系统深度集成和我们产业链的持续发展。

谢谢大家!

来源:第一电动网

作者:邓娅

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