電機效率和高速化,是新能源車用電機長期以來難以調(diào)和的一對矛盾。
在基速轉(zhuǎn)速以下,電動機的效率是最高的,一旦過了基速轉(zhuǎn)速,電機功率希望處于恒定的最大值,而扭矩隨著轉(zhuǎn)速的提升不斷減小,所以,基速之后電機的鐵耗會隨轉(zhuǎn)速的升高而加大,能耗由此不斷增加。
2022年12月7-8日,由蓋世汽車主辦的2022第三屆汽車電驅(qū)動及關(guān)鍵技術(shù)大會上,上海大學(xué)教授,偉長學(xué)者,新能源電驅(qū)動中心負責(zé)人羅建指出,在800A和385Vdc下,特斯拉可以實現(xiàn)420Nm和200Kw以上的功率輸出,高速下,其16000rpm附近的效率在92-93%,相比國內(nèi)的車輛,在高速續(xù)航上有顯著優(yōu)勢。
特斯拉方案的秘訣之一是,采用0.25mm的薄硅鋼片,越薄的片子渦流損耗就越低,有利于提高效率,羅建強調(diào):采用6極設(shè)計,降低鐵耗是提高高速區(qū)間效率的關(guān)鍵。
羅建 | 上海大學(xué)教授,偉長學(xué)者,新能源電驅(qū)動中心負責(zé)人
以下是演講內(nèi)容整理:
為什么要搞新能源汽車?這背后主要有兩大驅(qū)動力:一個是碳,一個是油。
什么是碳?碳中和碳達峰,中國的碳排放比全球其他國家都多,都說樹大招風(fēng),所以我們必須要去做一些工作。當(dāng)然,雖然我們現(xiàn)在的碳排放量是最多的,但是我們是從90年代發(fā)展起來之后才大量排碳的,前兩百年里我們并不是主要的碳排放貢獻國。
但是也有這樣一句話:要承擔(dān)共同的,而有區(qū)別的責(zé)任。不管怎么說,我們國家已經(jīng)定下了2030年實現(xiàn)碳達峰,2060年實現(xiàn)碳中和的目標。
什么是油?十年前,我們的電動汽車產(chǎn)業(yè)開始發(fā)展之初,國家政策之所以大力推動,主要考慮石油的戰(zhàn)略安全問題。當(dāng)時,中國的石油對外依存度是60%,現(xiàn)在已經(jīng)達到70%。
但我們也要看到,十年之后,新能源汽車的單月滲透率接近30%,這帶來了兩方面的機遇:新能源汽車市場正高速發(fā)展,機會會越來越多,反過來,由于汽車的銷售總量增長不是那么樂觀,所以這相當(dāng)于一個存量博弈的市場:新能源汽車越賣越多,燃油車就必然越賣越少。
省油還是用電?新能源車的路線之爭
接下來,讓我們回答一個根本問題:新能源汽車到底是省油還是用電?答案的背后是兩種技術(shù)路線,這是業(yè)界爭論了很長時間的問題。
如果要省油那就選擇混動,混合動力系統(tǒng)構(gòu)型有以下四種:P0,BSG皮帶傳動啟停裝置;P1,ISG電機處于發(fā)動機和離合器之間的啟動機和發(fā)電機一體化裝置;P2:電機處于離合器和變速器輸入端之間,P3:電機處于變速器輸出端或者置于后軸。
想省油,需要1、高效起動,2、發(fā)動機高效區(qū)直驅(qū),3、高效回饋制動 4、合成峰值扭矩/功率。
電動車的最大問題在于如何快速補能,現(xiàn)在行業(yè)內(nèi)有換電的解決方案,換電的優(yōu)勢是顯而易見的,一方面,換電的效率更高,速度更快,另一方面,現(xiàn)在CTC/CTP技術(shù)發(fā)展,很多電池被集成在車身底盤上,一旦電池衰減了,底盤也會廢棄掉,而換電就沒有這個隱患。
也有人提出了其他可能性,比如太陽能汽車,2010年,世博會上推出了太陽能概念汽車;2011年,豐田推出帶有光伏電池的汽車貼膜;2022年,荷蘭Lightyear在前機蓋和車頂上布置了4.9平方米的IBC單晶硅超級太陽能電池板。據(jù)悉,其“曬太陽”一小時就可以運行10公里。
當(dāng)然,目前太陽能汽車的價格非常貴,什么時候這一技術(shù)的成本降低了,就能大規(guī)模走向市場了。
回過頭來看,新能源汽車,尤其用于通勤的情況下,每日的里程需求是30-60公里,用戶期待的一次充電里程在400-600公里,再此之上,除非有其他的出行需求,否則用戶的購車預(yù)算就不會進一步增加。
如何在相似的成本和技術(shù)難度上進一步增加里程數(shù)?增程式應(yīng)運而生,增程器最初的作用在于備不時之需,可以做的很小,成本極低,同時幫助用戶在沒電的情況下以油充電,解決急需。
再進一步,發(fā)動機可以稍微改變工況,不需要頻繁將多余的能量儲存在電池里,可以減少充放電能耗,提升燃油經(jīng)濟性,但是這種變工況的增程發(fā)動機和驅(qū)動電機就不再是獨立的,系統(tǒng)存在耦合,復(fù)雜度提升。
在提高發(fā)動機效率的前提下,可以直接讓發(fā)動機驅(qū)動車輪,電機進行配合,可以進一步減少損耗,系統(tǒng)也不再是單純的增程式,而變成了PHEV(插電式)。既然此時發(fā)動機已經(jīng)介入驅(qū)動車輛,就可以將單級減速器改成2檔/3檔變速箱,進一步擴展發(fā)動機可以高效介入的工況范圍。
這一點上,增程器或者電動車有個特定優(yōu)勢。變速箱的核心技術(shù)是是動力中斷和換檔平順性,對于電動汽車來講,動力中斷和換檔平順不好解決,因為換檔速差比較大,如果只有兩檔,換檔時就會產(chǎn)生3000轉(zhuǎn)以上的速差。但如果是增程式,由于既有電機、又有發(fā)動機,可以一個換檔,另外一個提供動力,沒有動力中斷。
總而言之,增程技術(shù)的發(fā)展方向同電池相關(guān),電池能量密度越高,充電越方便,越趨向于多裝電池,增程器也只是作為備選,不起到太大的作用;相反,則會從成本出發(fā),將發(fā)動機高效介入的工況范圍擴大。
但是增程式的底層邏輯不在于省油,而是盡量用電而不用油。
“十二五”的時候,科技部就定下了新能源汽車驅(qū)動系統(tǒng)的發(fā)展方向是純電驅(qū)動。一方面,電機的高效區(qū)是發(fā)動機望塵莫及的,純電驅(qū)動是最高效的驅(qū)動形式,從用戶的角度看,以現(xiàn)在的油、電差價、只要能用電,用戶一定會選擇電。
但是,電池技術(shù)在安全和續(xù)航上不能完全滿足要求,所以我們進入了過渡時段,在新能源車動力發(fā)展軸線上,最左端是純?nèi)加桶l(fā)動機驅(qū)動車、最右端是純電電機驅(qū)動車,從左到右分別會是微混、弱混、輕混、中混、重混、phev,增程,燃料電池等等,從這條軸線看,增程式更靠近純電電機驅(qū)動車。
新能源車用驅(qū)動電機的功能與要求
下面講一下新能源驅(qū)動電機,新能源驅(qū)動電機的在功能上有以下六點要求:
第一,寬調(diào)速范圍:這要求驅(qū)動電機在低速時可以輸出大轉(zhuǎn)矩(比如從零到100公里加速),高速巡航時需要具有恒功率輸出特性;第二,高密度輕量化:電機的重量必須很輕,體積也不能太大,要保證新能源汽車的安裝空間和整車重量限制,給電池讓路;第三,高效率,是為了保障其續(xù)航里程;
第四,能量回饋,能夠在車輛減速、制動的過程中將部分動能回收,從而提高車輛的續(xù)航里程和能源利用率;第五,高可靠性和安全性,其機械強度,抗震性,冷卻技術(shù),電氣系統(tǒng)和控制系統(tǒng)都需要符合車輛安全性能的規(guī)定和標準;第六,低成本,以我個人的經(jīng)歷,十年前驅(qū)動電機+控制器要數(shù)萬,現(xiàn)在只需要6000。
具體看新能源車用驅(qū)動系統(tǒng)對于電機的技術(shù)指標要求:1、電動機基速以下輸出大轉(zhuǎn)矩,需要有4~5倍的過載,以適應(yīng)車輛的啟動、加速、負荷爬坡、頻繁起停等復(fù)雜工況。2、基速以上恒功率運行以適應(yīng)最高車速。
這會遇到一個問題,電機一旦速度提升,功率可以維持不變,但轉(zhuǎn)矩在下降,那高速超車就無力了。怎么解決這個問題?可以增加電壓,從320V增加到800V,其轉(zhuǎn)折轉(zhuǎn)速就能提高,這樣可以增大高速狀態(tài)下的轉(zhuǎn)矩。
接下來引入特斯拉的案例,在800A和385Vdc下,特斯拉可以實現(xiàn)420Nm和200Kw以上的功率輸出,高速下,其16000rpm附近的效率在92-93%,相比國內(nèi)的車輛,在高速續(xù)航上有顯著優(yōu)勢。
要達到這種效果,需要兩個關(guān)鍵的技術(shù)手段:第一,引入碳化硅這類大電流功率器件的支持,因為實現(xiàn)高功率高轉(zhuǎn)矩輸出的最主要策略在于提高最大電流。第二,采用0.25mm的薄硅鋼片,越薄的片子渦流損耗就越低,有利于提高效率,此外,采用6極設(shè)計,降低鐵耗是提高高速區(qū)間效率的關(guān)鍵。
電機所面臨的挑戰(zhàn)和應(yīng)對策略
下圖是電機的主要分類,最大類是直流和交流的區(qū)分,直流主要曾用在大型車上,交流電機主要分為同步和異步電機,其中同步又分為永磁電機、磁阻電機和繞線轉(zhuǎn)子電機。
圖片來源:上海大學(xué)教授,偉長學(xué)者,新能源電驅(qū)動中心負責(zé)人羅建演講材料
目前行業(yè)主要用到的是異步電機、磁阻電機、永磁電機,這幾種電機的定子的基本結(jié)構(gòu)是一樣的,都是繞組線圈。針對定子的發(fā)展趨勢,業(yè)界已經(jīng)有了共識,那就是“走扁線”。這是由于扁線電機的槽滿率高,端部規(guī)整免綁扎,散熱性好,且易于實現(xiàn)機械化。
目前,扁線電機的技術(shù)要求是將“端部做短”,下圖從左至右,分別是扁線電機端部越做越短的情況。
圖片來源:上海大學(xué)教授,偉長學(xué)者,新能源電驅(qū)動中心負責(zé)人羅建演講材料
我們目前的研究集中在扁線電機的平臺化上,如何讓扁線電機可以基于同一平臺進行不同的功率變換,但同時保證定子的繞組簡單,簡化加工程序,這塊也是近幾年對定子研究的側(cè)重點。
在轉(zhuǎn)子側(cè),以永磁電機為例,永磁同步電動機的轉(zhuǎn)子分為表面式永磁轉(zhuǎn)子和內(nèi)置式永磁轉(zhuǎn)子,前者多用于直流無刷,方波電流;后者有弧形內(nèi)置、“一”字內(nèi)置、“V”字內(nèi)置。轉(zhuǎn)子對電磁性能的提升有關(guān)鍵性的作用。
還是以特斯拉為例,Tesla Model3的轉(zhuǎn)子采用單V結(jié)構(gòu),采用兩對輔助槽,其中大輔助槽放置在V字磁鋼槽-表面磁橋處,小輔助槽放置在靠近極中心的地方,同時采用了錯開斜極的方式改善磁通波形,調(diào)配永磁成分。
表貼的轉(zhuǎn)子,交直軸磁路基本對稱,無凸極效應(yīng)和磁阻轉(zhuǎn)矩;交直軸磁路的等效氣隙很大,電樞反應(yīng)較小,特性接近直流電機。
內(nèi)置式轉(zhuǎn)子的架構(gòu)上,轉(zhuǎn)子交直軸磁路不對稱,電磁轉(zhuǎn)矩由永磁轉(zhuǎn)矩和磁阻轉(zhuǎn)矩共同產(chǎn)生;磁阻轉(zhuǎn)矩提高了電機的功率密度和過載能力,且易于弱磁擴速,擴大了電機的恒功率運行范圍;交軸磁路的等效氣隙小,電樞反應(yīng)強烈。內(nèi)置式轉(zhuǎn)矩脈動大于表貼轉(zhuǎn)子。
對于永磁電機,其問題在于永磁不可調(diào),高速時反電勢高,對此必須用弱磁進行限制。而弱磁控制要損耗電流,會使效率下降,表貼轉(zhuǎn)子Id=0,低速銅耗低,效率最高,而高速弱磁困難。內(nèi)置轉(zhuǎn)子凸極強,高速弱磁較容易。
此時,純磁阻電機因為沒有永磁,電感就大,功率因數(shù)低,但好處是成本低,沒有永磁材料。
進一步的開發(fā)方向是怎樣的?主要是高速化,提高功率密度和轉(zhuǎn)矩密度。高速化之后,鐵損耗是主要問題,2萬轉(zhuǎn)以上,表貼式是主要解決方案。
另一種方案是不走高速,直接提高轉(zhuǎn)矩密度,這也是學(xué)校機構(gòu)的研究方向,包括橫向磁場電機,軸向磁場電機,外轉(zhuǎn)子電機,雙轉(zhuǎn)子電機,雙定子電機……其中一款軸向磁場電機有槽無定子軛,后來發(fā)展為YASA電機,進一步的無槽無鐵芯電機,沒有鐵耗,因此高速下的效率就能得到保證。
最后是關(guān)于永磁不可調(diào)和的問題,這也是研究的主要方向。永磁在高速情況下會出現(xiàn)反電勢過高的問題,如果通過弱磁來削弱,那就會有電流損耗,功率因數(shù)就低,那能不能實現(xiàn)可調(diào)?
一種解決方案是,轉(zhuǎn)子上如果有線圈,線圈可以調(diào)電流,像發(fā)電機一樣,但有線圈就會增加結(jié)構(gòu)復(fù)雜性。但把調(diào)磁線圈放到定子上,使該線圈不再占用功率,也是永磁電機所面臨的挑戰(zhàn)和技術(shù)發(fā)展方向。
(以上內(nèi)容來自上海大學(xué)教授,偉長學(xué)者,新能源電驅(qū)動中心負責(zé)人羅建于2022年12月7-8日由蓋世汽車主辦的2022第三屆汽車電驅(qū)動及關(guān)鍵技術(shù)大會上發(fā)表的《新能源車用電機發(fā)展趨勢》主
來源:蓋世汽車
作者:薈薈
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