2018年電機驅(qū)動與電力關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展趨勢分析

目前已到2017年年底,大家都在分析2018年中國新能源汽車技術(shù)發(fā)展趨勢。而科技部《新能源汽車2018年重點專項申報指南》已經(jīng)發(fā)布,對企業(yè)而言很有指導(dǎo)意義。下面是筆者學(xué)習《申報指南》后,對2018 年度電機驅(qū)動與電力關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展趨勢的分析,分享如下:

一、中國新能源汽車重大共性關(guān)鍵技術(shù)的主攻方向

《申報指南》列出2018年中國新能源汽車技術(shù)的主攻方向包括:動力電池與電池管理系統(tǒng),電機驅(qū)動與電力,電子、電動汽車智能化,燃料電池動力系統(tǒng),插電/增程式混合動力系統(tǒng),純電動力系統(tǒng)。一共是6個方向,再細分 24 個研究任務(wù)。

筆者理解:

①企業(yè)與政府規(guī)劃要保持一致,企業(yè)經(jīng)營活動(含技術(shù)攻關(guān))要在政府的頂層設(shè)計下開展。

②企業(yè)2018年具體的新能源汽車研究(開發(fā))項目必須在6個方向下、24個研究任務(wù)之中;

③企業(yè)具體技術(shù)研究和開發(fā)項目,理應(yīng)與中央政府政府年度計劃技術(shù)攻關(guān)項目對應(yīng)起來。

二、2018 年度電機驅(qū)動與電力關(guān)鍵技術(shù)研究任務(wù)

1、商用車高可靠性車載電力電子集成系統(tǒng)開發(fā)

研究內(nèi)容:

研究基于功率器件級集成的多變流器拓撲結(jié)構(gòu)和絕緣柵雙極型晶體管(ⅠGBT)芯片集成封裝技術(shù);研究機-電-熱集成設(shè)計技術(shù)及電磁兼容技術(shù);研究硬件安全冗余、軟件容錯等系統(tǒng)功能安全技術(shù);研究集成電力電子控制器產(chǎn)品(簡稱 PCU)的可靠性及測試方法。開發(fā)出適用于 10~12 米純電動、插電式、增程式客車的 PCU 產(chǎn)品。

考核指標:

商用車電力電子集成控制器產(chǎn)品比功率≥10.0kVA/kg;控制器最高效率≥98%,效率大于 90%的高效區(qū)≥80%,集成控制器電磁兼容性能(EMC)(帶載)、可靠性和產(chǎn)品設(shè)計壽命滿足整車要求,PCU 產(chǎn)品壽命≥8 年(以關(guān)鍵器件壽命設(shè)計文件與加速壽命驗證測試報告作為驗收依據(jù));配套整車產(chǎn)品完成公告,并批量裝車。

筆者解讀:

Ⅰ)功率器件級集成的多變流器拓撲結(jié)構(gòu)和絕緣柵雙極型晶體管(ⅠGBT)是核心競爭力技術(shù)和產(chǎn)品,是中國發(fā)展新能源汽車的短板。

Ⅱ)適用于 10~12 米純電動、插電式、增程式客車的 PCU 產(chǎn)品,是主攻方向。

Ⅲ)集成控制器電磁兼容性能(EMC)(帶載)、可靠性和產(chǎn)品設(shè)計壽命滿足整車要求,目前公交車整車生產(chǎn)企業(yè)急需這樣的產(chǎn)品。

Ⅳ)中國發(fā)展新能源汽車必須要能自己研發(fā)和生產(chǎn)功率器件【絕緣柵雙極型晶體管(ⅠGBT)】,否則,彎道超車就只是一個口號而已。

2、轎車高可靠性車載電力電子集成系統(tǒng)開發(fā)

研究內(nèi)容:

研究基于功率器件級集成的多變流器拓撲結(jié)構(gòu),開發(fā)機-電-熱集成設(shè)計技術(shù)及電磁兼容技術(shù);研發(fā)芯片集成封裝技術(shù)及硬件安全冗余、軟件容錯等系統(tǒng)功能安全技術(shù);研究集成電力電子控制器產(chǎn)品(簡稱 PCU)的可靠性、壽命設(shè)計及測試方法。開發(fā)出適用于 A 級、B 級插電式/增程式混合動力乘用車的PCU 產(chǎn)品。

考核指標:

PCU 產(chǎn)品設(shè)計安全等級達到或超過 ⅠSO 26262ASⅠL- C 等級;PCU 產(chǎn)品設(shè)計壽命不少于 10 年(以關(guān)鍵器件壽命設(shè)計文件與加速壽命驗證測試報告作為驗收依據(jù));功率密度≥15.0kVA/L(對于插電式、增程式混合動力車型按驅(qū)動電機控制器和發(fā)電機控制器峰值功率之和計算);控制器最高效率≥98%,效率大于 90%的高效區(qū)≥80%,集成控制器 EMC(帶載)、可靠性和產(chǎn)品設(shè)計壽命滿足整車要求,配套整車產(chǎn)品完成公告,并批量裝車。

筆者解讀:

Ⅰ)商用車和轎車對功率器件級集成要求基本相同,功率器件是基礎(chǔ)性產(chǎn)品,其技術(shù)共用。

Ⅱ)整車技術(shù)水平升級和產(chǎn)品競爭力,沒有適用的功率器件,就無法用力。

Ⅲ)電機控制器目前還做不到與電機一體化,主要的原因是功率器件高溫指標無法與電機工作溫度匹配。

Ⅳ)如果功率器件無法集成到電機內(nèi)部,需要突破中央電機布置模式,困難重重。這里提醒開發(fā)四輪驅(qū)動的整車企業(yè),要注意該技術(shù)發(fā)展趨勢。

3、基于碳化硅技術(shù)的車用電機驅(qū)動系統(tǒng)技術(shù)開發(fā)

研究內(nèi)容:

攻克低感高密度碳化硅模塊封裝、高溫高頻電容器設(shè)計與封裝技術(shù)難關(guān);研究碳化硅變流器高功率密度,高頻化永磁電機設(shè)計與工藝,電機驅(qū)動系統(tǒng)高效控制技術(shù),噪聲、振動、平順性(NVH)和 EMC 等技術(shù);研究碳化硅控制器與驅(qū)動電機一體化集成技術(shù);研究碳化硅電機驅(qū)動系統(tǒng)的全壽命周期成本評價方法;開發(fā)出車用大電流碳化硅模塊、車用高溫高頻大電流電容、全碳化硅電機控制器以及整個電機驅(qū)動系統(tǒng)。

考核指標:

電力電子模塊電流≥400A,電壓≥750V;電容器容積比≥1.4uF/mL;碳化硅電機控制器功率密度≥30kW/L,最高效率≥98.5%,超過 90%的高效區(qū)≥90%;電機峰值功率密度≥4.0kW/kg(30 秒),連續(xù)比功率≥2.5kW/kg;電機最高效率≥96.5%,電機及其控制系統(tǒng)最高效率≥94.5%,超過 85%的高效率區(qū)不低于 85%;實現(xiàn)裝車應(yīng)用不低于 10 輛。提供 2 項相關(guān)的環(huán)境適應(yīng)性和安全性評價國家(或行業(yè))標準(或國際標準提案)草案。

筆者解讀:

Ⅰ)碳化硅是用石英砂、石油焦(或煤焦)、木屑為原料通過電阻爐高溫冶煉而成的一種耐火材料?；璺勰┩坎伎商岣咂淠湍バ远娱L使用壽命1～2倍;碳化硅的硬度很大,莫氏硬度為9.5級,僅次于世界上最硬的金剛石(10級),具有優(yōu)良的導(dǎo)熱性能,是一種半導(dǎo)體,高溫時能抗氧化。這就是說,車用電機采用碳化硅材料是基本趨勢。

Ⅱ)開發(fā)出車用大電流碳化硅模塊、車用高溫高頻大電流電容、全碳化硅電機控制器以及整個電機驅(qū)動系統(tǒng)是基本趨勢。

Ⅲ)新能源汽車采用永磁電機是基本趨勢,目前特斯拉電動車的電機已經(jīng)由感應(yīng)電機技術(shù)路線轉(zhuǎn)向永磁電機。永磁電機的最大優(yōu)勢是在高速電機方面。

4、高效輕量化輪轂電動輪總成開發(fā)

研究內(nèi)容:

突破電動輪集成技術(shù),包括研發(fā)電動輪總成的電、磁、熱以及整車結(jié)構(gòu)應(yīng)用等多領(lǐng)域協(xié)同仿真技術(shù),突破電動輪液冷結(jié)構(gòu)與動密封、低轉(zhuǎn)矩脈動和 NVH、抗振能力和可靠耐久性技術(shù)。開發(fā)出高效輕量化電動輪總成。

考核指標:

滿足A級和A0級純電動轎車應(yīng)用的電動輪總成(輪轂電機本體或輪內(nèi)電機與減速器的總成)峰值功率密度≥2.5kW/kg(≥30秒),峰值轉(zhuǎn)矩密度≥18Nm/kg,連續(xù)比功率≥1.8kW/kg,最高效率≥94%,噪聲≤75dB(A)。實現(xiàn)小批量裝車不低于 10 輛。

筆者解讀:

Ⅰ)輪轂電機本體或輪內(nèi)電機與減速器的總成應(yīng)用方向是A級和A0級純電動轎車;

Ⅱ)目前主要要求能實現(xiàn)小批量裝車不低于 10 輛。這說明,該技術(shù)尚處于研究階段,處于驗證期。

Ⅲ)商業(yè)車推行上規(guī)模用輪轂電機,還沒有到時間。

5、一體化驅(qū)動電機系統(tǒng)研制

研究內(nèi)容:

突破高速減速器設(shè)計、齒輪加工與研磨、軸類精密加工、鑄造殼體技術(shù)難關(guān);研究高速驅(qū)動電機與減速器結(jié)構(gòu)集成、潤滑與冷卻系統(tǒng)、NVH 技術(shù);掌握電驅(qū)動總成批量制造生產(chǎn)工藝與高效檢測等產(chǎn)業(yè)化技術(shù);開發(fā)出新一代高性能電驅(qū)動總成產(chǎn)品。

考核指標:

驅(qū)動電機及高速減速器的最高轉(zhuǎn)速≥15000 轉(zhuǎn)/分,電驅(qū)動總成匹配額定功率 40-80kW,比功率≥1.8kW/kg(峰值功率/總重量),最高效率≥92%,電驅(qū)動總成噪聲≤80dB(A),具備電子駐車功能,實現(xiàn)批量裝車不低于 100 臺套。

筆者解讀:

Ⅰ)一體化驅(qū)動電機系統(tǒng)是一個總的發(fā)展趨勢,要一步一步來推進。要從乘用車開始驗證;

Ⅱ)驅(qū)動電機及高速減速器的最高轉(zhuǎn)速≥15000 轉(zhuǎn)/分,對我國而言已經(jīng)是較高指標,離國際上水平最高轉(zhuǎn)速≥18000 轉(zhuǎn)/分距離較遠;

Ⅲ)高速驅(qū)動電機與減速器結(jié)構(gòu)集成,是一個比較高目標。尤其的商用車而言更難。

總結(jié):電機驅(qū)動與電力關(guān)鍵技術(shù)是瓶頸之一。目前中國這方面與國際上先進相比,差距是明顯的。彎道超車,也必須要科學(xué)的精神,一步一步來推進,急不得。

作者：雷洪鈞