前言
电动汽车在全球范围内蓬勃发展,无论是商业活动还是技术创新都以极快的速度向前推进。受益于政府的开放和推进的政策,中国已成为该领域最活跃、最大的市场。 站在现在时空,很庆幸我们都能清醒的认识到我们是EV大国但不是强国,但我们正以开放的姿态迎接全球技术和商业竞争的洗礼。相信终有一日我们将即大又强,成为顶级玩家,演绎出中国高铁、 工程建造类似的故事。而这一切需要首先立足于对自己短板的精准认识,并虚心学习研究国际先进技术,最后以创新实践培育自己的核心竞争力。
抱持着这种心态,笔者正尝试系统性的调研国内外先进电机驱动技术发展路线,总结先行者们的实践探索成果,并将学习的成果分享给大家。
驱动电机的目标和差距
美国能源部在2017年发布了电动汽车发展2025路线图规划。对电动汽车及其三电系统的发展目标给出了指导性意见。这份路线图是一个叫 U.S.Drive的组织撰写的。这是个即具有政府背景又联合了企业力量的联盟组织,成员既有有福特、 通用 、UQM等生产企业,也有Electric Power Research Institute、橡树岭实验室等研究机构。可以说他们代表了美国在该领域的顶级技术力量。他们曾在2013年发布过2020年路线图,在全世界范围内形成了标杆影响力,现在五年过去了, 新的路线图对电机电控技术发展都作了哪些规划呢?
2025年路线图是2020年的基础上的进一步延伸,主要是从效率、功率密度、成本方面作出指标要求。其对电机电流的具体要求如下:
对照在这份发展路线图中,会发现对电机电控的效率、转矩、成本的要求都在不断提高。那么各家的产品能否达标吗?
下图是丰田prius 2010等三个产品详细技术指标,我们会发相对2020年的目标, 效率和密度都已达标,但离2025年的指标还有一些差距。
时间再近一点,以2016年BMWi3、2014年Honda Accord等产品,在功率密度方面都有所突破,部分指标已经已超过2020年标准,说明技术呈现加速化发展趋势。
在这些指标中,效率指标看似相对比较宽松,峰值效率达标是较容易的事情,但针对效率这块DOE还有进一步的规定,要求电机在10~100%转速范围内,20%的负载下效率大于94%,这是很高的要求。下图是按DOE2020的标准设定的不同转速转矩范围内的效率要求。
这个指标要求是较高的,目前博格华纳H250-90产品能够做到2500~10000rpm范围内,效率大于93%,这已经是非常高的水平,是采用了扁线(发卡绕组)技术才实现。因此如何追求宽转速范围内的高效,是各大公司共同面临的问题。
美国橡树岭实验室一直是先进电机技术的推进者,为了达到更高的效率并达到$4.7/ kw的目标,开发了基于铁氧体的永磁同步电机方案,已经取得成功,其效率和功率密度都超过prius2010的水平。
当然离2025的目标还有差距,但后续的电机方案已经在优化中。在下一代的产品中,功率密度会提高50%达到16.2kw/L,4.5kw/kg,转矩密度达到32Nm/L,8.9Nm/kg。
不但如此该电机的峰值效率超过97%, 在高转速范围内实现高效的能力,在最高转速14000rpm区效率也能维持在95%以上,具备极强的续航能力。
在美国除了橡树岭,还有UQM、通用公司等企业也在积极研发效率更高、体积更小、成本更低的新型电机。有的从基础材料研究出发,有的从设计方法上着手,还有从新原理电机角度用力。相对而言,国内公司的创新氛围较淡薄,达到2020年或者2025年目标,确实是稍欠底蕴。因此需要冷静的认识到,无论在标准还是实际产品领域我们都是全方面落后的。如何实现接近并超越国际先进水平,需要我们在技术创新方面有更多的研究和实践,并充分参考别人的探索经验。 下面介绍一些关于提高效率技术路线。
高效化技术路线介绍
由于续航里程的强要求, 电机高效已经是默认选项。单从额定的指标来讲,现在无论是电机和电控效率已经非常高了,最高效率点都能达到94%~97%的水平,基本达到国外先进水平。但需要认识到,额定高效只能反应部分性能。在峰值功率和高速工况下,电机的效率仍然有很高提升空间。
以永磁同步驱动系统为例,在常用的高速工况,电机处于弱磁区间,弱磁技术有利有弊,在提升电机转速范围的同时,也带来了比较严重高速损耗问题。具体而言,这里面有两个损耗,一个是弱磁电流带来的额外的铜耗,另外一个是弱磁后因磁场畸变导致的转子损耗。
认识和解决这类问题,首先需要从追求额定高效的点要求切换成追求运行高效的综合要求。所谓运行高效,就是指在车辆实际运行路况下,表现出来的综合效率高。这即关系到电机设计、驱动桥的设计,又关系到电机和这些系统的匹配。针对此衍生出了很多技术路线。
如何实现高效,可以从许多方面着手,本文介绍高牌号硅钢、发卡电机、磁通可变电机、串并联切换电机五条技术路线。
路线一· 采用EV专用高效硅钢
为了改善NVH性能,电动汽车驱动电机一般选择极数多,转速高的设计方案,因此电机的电运行频率较高,以8极48槽电机为例,在12000rpm时,其运行频率达800HZ。普通硅钢片虽然在工频下的损耗控制较严格,但在高频区间的损耗控制相对较弱,因此如何选用合适的硅钢片是一件重要的事情 。
为什么频率高铁耗就大呢? 铁耗中的磁滞损耗大约和频率的平方成正比,这是因为在高频时,磁滞回路曲线更胖,构成的磁滞环路面积更大,面积越大损耗的能量就越大。而降低损耗的有效办法是降低硅钢片的厚度,上图右侧部分,可以明显看出,在1000Hz时,0.2mm厚的硅钢片的标称损耗只有0.5mm候硅钢片的一半不到。
目前EV电机常用的高效硅钢片是35DW210 ~35DW300等规格的材料。国内市场上更薄的硅钢片较少。但在国外,日本新日铁提供的0.2mm的硅钢片已经开始在新能源电机产品上批量应用。以20HX1300硅钢为例,其W10/50值(一种表征硅钢片铁损大小的标称指标)比常用的35DW210,低50%左右。即便在800HZ下,其单位铁损在31.5w/kg,远低于35DW210水平,降幅达到32%。
无独有偶,在德国ThyssenKrupp 硅钢企业,针对电动汽车应用展开了测试研究。为了降低高频损耗,他们在330-30AP型号的基础上,开发出来280-30APVar1型号,1000HZ下标称损耗降低了13%,为了提高高速下的结构强度,又开发出来了280-30APVar2 型,抗拉强度从450提升到550Mpa。在对一款典型的8极48槽电驱动电机验证中,实测发现,新开发的0.30厚EV专用硅钢,在800HZ工况下,铁耗降低38%。
韩国浦项公司的验证也得到了类似的结论,在一款15kw@7500rpm的16极24槽的驱动电机的测试中,发现用EV专用0.27PNSF1500的硅钢替代传统的0.35mm厚硅钢后,电机的效率有明显提升,其中最高效率提升了0.3%,高速工况效率提升了3个百分点,从83.42%提升到85.34%,损耗降低42%。值的一提的是这种EV专用硅钢片的应力强度远高于普通硅钢片,因此在磁极结构设计中可以采用更薄的磁桥厚度,既可以降低永磁体的用量,又能间接的提高效率。
国内业内人士也展开了实际应用,30kw的电机,在800HZ激励下, 0.2mm的硅钢片实际铁损较0.35mm的铁损降低20%,单铁芯成本增加22%。 如果采用非晶材料,铁耗能够进一步降低,降幅达到40%,但铁芯的成本增加了8倍。从性价比而言,选择0.2mm的硅钢片更加合适。
从另外一方面而言,不能仅从高速角度出发,因为车用驱动电机有低速和高速两种工况要求,选用高性能硅钢时,不能单考虑铁耗,还需要考虑导磁能力(低速大载时,磁场饱和度高 ),高磁感能够降低大转矩时电流的需求量,降低铜耗。高导磁和低铁耗这两种能这在一定程度上是矛盾的,需要硅钢企业作专项的研发两者都能兼顾的材料。 这类更薄、低铁耗牌耗、高磁感的硅钢材料一般都是车用驱动专用材料。
【小结】采用性能更好的硅钢材料是EV电机发展的必然途径,低铁耗高导磁的材料,不但能提高电机的效率还能减小电机体积。除此之外高导热能高强度的性能也是需要开发的方向。好的电机需要更好的材料,以及对这些材料基本物理性能深入的了解。这需要电机企业和硅钢片企业携手合作, 这方面宝钢等企业已经起步。
发卡电机
采用高效硅钢片能够降低铁损,从而电机的效率。但单一手段不够用,还需针对电机的铜耗作出优化,特别是在低速大转矩时铜耗占大头,因此必须要降低铜损。方法有很多,其中一种技术路线是是采用发卡绕组设计。
发卡电机学名Hairpin电机,其实是扁线电机的一种,其绕组端部和发卡很像,因此得名。丰田和电装之所以采用这种电机方案原因之一就是其铜耗较小,效率较高。这可以从两个角度去理解:
第一: 绕组端部很短。可以降低电机端部空间用铜量,其绕组端部用铜量能够较传统散嵌绕组降低15%-20%,因此能够降低铜耗。特别是在电机呈现扁平形状时,优势更加明显。
第二: 槽满率高,发卡电机由于线圈排列整齐,线条平整,槽满率远高于散嵌绕组,其净铜槽满率可达70%,超过普通绕组25个百分点。更多的用铜量,单位叠长下,电阻变小,这会会带来更小的电阻损耗。
博格华纳( 原雷米电机)将普通散嵌绕组电机改造成发卡电机改造后,发现具备明显的性能优势:
增加了27%的转矩
增加了37%的功率
减少了22%的安装空间
减小了13%的重量
2,500~ 10,000 rpm范围内效率超过93%
可见发卡电机技术给博格华纳产品带来了很强的竞争力。
在国内我们也有类似的尝试,常州昊郁普动力科技在维持转子和定子叠高的不变下,将普通散嵌绕组电机,改造成发卡电机,实践证明具备很好的提效效果,NEDC综合工况效率提升2个百分点。
发卡电机在国内发展看好,特别适合乘用车应用,上海华域已经实现批量生产,还有许多家正在抓紧试制。
【小结】发卡电机能带来效率和功率密度的双提高,符合EV电机技术发展趋势,是时下的热门。但发卡电机也有一定的缺点,其中之一是设备投资较贵,工艺较复杂。
更全更多的先进电机技术,请移步我在荔枝上开设的专栏《蜗牛讲国外先进电机技术》。目前已经更新大半了。
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