2018年电机驱动与电力关键技术发展趋势分析

目前已到2017年年底,大家都在分析2018年中国新能源汽车技术发展趋势。而科技部《新能源汽车2018年重点专项申报指南》已经发布,对企业而言很有指导意义。下面是笔者学习《申报指南》后,对2018 年度电机驱动与电力关键技术发展趋势的分析,分享如下:

一、中国新能源汽车重大共性关键技术的主攻方向

《申报指南》列出2018年中国新能源汽车技术的主攻方向包括:动力电池与电池管理系统,电机驱动与电力,电子、电动汽车智能化,燃料电池动力系统,插电/增程式混合动力系统,纯电动力系统。一共是6个方向,再细分 24 个研究任务。

笔者理解:

①企业与政府规划要保持一致,企业经营活动(含技术攻关)要在政府的顶层设计下开展。

②企业2018年具体的新能源汽车研究(开发)项目必须在6个方向下、24个研究任务之中;

③企业具体技术研究和开发项目,理应与中央政府政府年度计划技术攻关项目对应起来。

二、2018 年度电机驱动与电力关键技术研究任务

1、商用车高可靠性车载电力电子集成系统开发

研究内容:

研究基于功率器件级集成的多变流器拓扑结构和绝缘栅双极型晶体管(ⅠGBT)芯片集成封装技术;研究机-电-热集成设计技术及电磁兼容技术;研究硬件安全冗余、软件容错等系统功能安全技术;研究集成电力电子控制器产品(简称 PCU)的可靠性及测试方法。开发出适用于 10~12 米纯电动、插电式、增程式客车的 PCU 产品。

考核指标:

商用车电力电子集成控制器产品比功率≥10.0kVA/kg;控制器最高效率≥98%,效率大于 90%的高效区≥80%,集成控制器电磁兼容性能(EMC)(带载)、可靠性和产品设计寿命满足整车要求,PCU 产品寿命≥8 年(以关键器件寿命设计文件与加速寿命验证测试报告作为验收依据);配套整车产品完成公告,并批量装车。

笔者解读:

Ⅰ)功率器件级集成的多变流器拓扑结构和绝缘栅双极型晶体管(ⅠGBT)是核心竞争力技术和产品,是中国发展新能源汽车的短板。

Ⅱ)适用于 10~12 米纯电动、插电式、增程式客车的 PCU 产品,是主攻方向。

Ⅲ)集成控制器电磁兼容性能(EMC)(带载)、可靠性和产品设计寿命满足整车要求,目前公交车整车生产企业急需这样的产品。

Ⅳ)中国发展新能源汽车必须要能自己研发和生产功率器件【绝缘栅双极型晶体管(ⅠGBT)】,否则,弯道超车就只是一个口号而已。

2、轿车高可靠性车载电力电子集成系统开发

研究内容:

研究基于功率器件级集成的多变流器拓扑结构,开发机-电-热集成设计技术及电磁兼容技术;研发芯片集成封装技术及硬件安全冗余、软件容错等系统功能安全技术;研究集成电力电子控制器产品(简称 PCU)的可靠性、寿命设计及测试方法。开发出适用于 A 级、B 级插电式/增程式混合动力乘用车的PCU 产品。

考核指标:

PCU 产品设计安全等级达到或超过 ⅠSO 26262ASⅠL- C 等级;PCU 产品设计寿命不少于 10 年(以关键器件寿命设计文件与加速寿命验证测试报告作为验收依据);功率密度≥15.0kVA/L(对于插电式、增程式混合动力车型按驱动电机控制器和发电机控制器峰值功率之和计算);控制器最高效率≥98%,效率大于 90%的高效区≥80%,集成控制器 EMC(带载)、可靠性和产品设计寿命满足整车要求,配套整车产品完成公告,并批量装车。

笔者解读:

Ⅰ)商用车和轿车对功率器件级集成要求基本相同,功率器件是基础性产品,其技术共用。

Ⅱ)整车技术水平升级和产品竞争力,没有适用的功率器件,就无法用力。

Ⅲ)电机控制器目前还做不到与电机一体化,主要的原因是功率器件高温指标无法与电机工作温度匹配。

Ⅳ)如果功率器件无法集成到电机内部,需要突破中央电机布置模式,困难重重。这里提醒开发四轮驱动的整车企业,要注意该技术发展趋势。

3、基于碳化硅技术的车用电机驱动系统技术开发

研究内容:

攻克低感高密度碳化硅模块封装、高温高频电容器设计与封装技术难关;研究碳化硅变流器高功率密度,高频化永磁电机设计与工艺,电机驱动系统高效控制技术,噪声、振动、平顺性(NVH)和 EMC 等技术;研究碳化硅控制器与驱动电机一体化集成技术;研究碳化硅电机驱动系统的全寿命周期成本评价方法;开发出车用大电流碳化硅模块、车用高温高频大电流电容、全碳化硅电机控制器以及整个电机驱动系统。

考核指标:

电力电子模块电流≥400A,电压≥750V;电容器容积比≥1.4uF/mL;碳化硅电机控制器功率密度≥30kW/L,最高效率≥98.5%,超过 90%的高效区≥90%;电机峰值功率密度≥4.0kW/kg(30 秒),连续比功率≥2.5kW/kg;电机最高效率≥96.5%,电机及其控制系统最高效率≥94.5%,超过 85%的高效率区不低于 85%;实现装车应用不低于 10 辆。提供 2 项相关的环境适应性和安全性评价国家(或行业)标准(或国际标准提案)草案。

笔者解读:

Ⅰ)碳化硅是用石英砂、石油焦(或煤焦)、木屑为原料通过电阻炉高温冶炼而成的一种耐火材料。化硅粉末涂布可提高其耐磨性而延长使用寿命1～2倍;碳化硅的硬度很大,莫氏硬度为9.5级,仅次于世界上最硬的金刚石(10级),具有优良的导热性能,是一种半导体,高温时能抗氧化。这就是说,车用电机采用碳化硅材料是基本趋势。

Ⅱ)开发出车用大电流碳化硅模块、车用高温高频大电流电容、全碳化硅电机控制器以及整个电机驱动系统是基本趋势。

Ⅲ)新能源汽车采用永磁电机是基本趋势,目前特斯拉电动车的电机已经由感应电机技术路线转向永磁电机。永磁电机的最大优势是在高速电机方面。

4、高效轻量化轮毂电动轮总成开发

研究内容:

突破电动轮集成技术,包括研发电动轮总成的电、磁、热以及整车结构应用等多领域协同仿真技术,突破电动轮液冷结构与动密封、低转矩脉动和 NVH、抗振能力和可靠耐久性技术。开发出高效轻量化电动轮总成。

考核指标:

满足A级和A0级纯电动轿车应用的电动轮总成(轮毂电机本体或轮内电机与减速器的总成)峰值功率密度≥2.5kW/kg(≥30秒),峰值转矩密度≥18Nm/kg,连续比功率≥1.8kW/kg,最高效率≥94%,噪声≤75dB(A)。实现小批量装车不低于 10 辆。

笔者解读:

Ⅰ)轮毂电机本体或轮内电机与减速器的总成应用方向是A级和A0级纯电动轿车;

Ⅱ)目前主要要求能实现小批量装车不低于 10 辆。这说明,该技术尚处于研究阶段,处于验证期。

Ⅲ)商业车推行上规模用轮毂电机,还没有到时间。

5、一体化驱动电机系统研制

研究内容:

突破高速减速器设计、齿轮加工与研磨、轴类精密加工、铸造壳体技术难关;研究高速驱动电机与减速器结构集成、润滑与冷却系统、NVH 技术;掌握电驱动总成批量制造生产工艺与高效检测等产业化技术;开发出新一代高性能电驱动总成产品。

考核指标:

驱动电机及高速减速器的最高转速≥15000 转/分,电驱动总成匹配额定功率 40-80kW,比功率≥1.8kW/kg(峰值功率/总重量),最高效率≥92%,电驱动总成噪声≤80dB(A),具备电子驻车功能,实现批量装车不低于 100 台套。

笔者解读:

Ⅰ)一体化驱动电机系统是一个总的发展趋势,要一步一步来推进。要从乘用车开始验证;

Ⅱ)驱动电机及高速减速器的最高转速≥15000 转/分,对我国而言已经是较高指标,离国际上水平最高转速≥18000 转/分距离较远;

Ⅲ)高速驱动电机与减速器结构集成,是一个比较高目标。尤其的商用车而言更难。

总结:电机驱动与电力关键技术是瓶颈之一。目前中国这方面与国际上先进相比,差距是明显的。弯道超车,也必须要科学的精神,一步一步来推进,急不得。

作者：雷洪钧