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如何提升高速区间的电机效率?新能源车电机的路线发展之争

发布时间:2022年12月23日 | 文章来源:盖世汽车网 | 浏览次数:869 | 访问原文

电机效率和高速化,是新能源车用电机长期以来难以调和的一对矛盾。

在基速转速以下,电动机的效率是最高的,一旦过了基速转速,电机功率希望处于恒定的最大值,而扭矩随着转速的提升不断减小,所以,基速之后电机的铁耗会随转速的升高而加大,能耗由此不断增加。

2022年12月7-8日,由盖世汽车主办的2022第三届汽车电驱动及关键技术大会上,上海大学教授,伟长学者,新能源电驱动中心负责人罗建指出,在800A和385Vdc下,特斯拉可以实现420Nm和200Kw以上的功率输出,高速下,其16000rpm附近的效率在92-93%,相比国内的车辆,在高速续航上有显著优势。

特斯拉方案的秘诀之一是,采用0.25mm的薄硅钢片,越薄的片子涡流损耗就越低,有利于提高效率,罗建强调:采用6极设计,降低铁耗是提高高速区间效率的关键

如何提升高速区间的电机效率?新能源车电机的路线发展之争

罗建 | 上海大学教授,伟长学者,新能源电驱动中心负责人

以下是演讲内容整理:

为什么要搞新能源汽车?这背后主要有两大驱动力:一个是碳,一个是油。

什么是碳?碳中和碳达峰,中国的碳排放比全球其他国家都多,都说树大招风,所以我们必须要去做一些工作。当然,虽然我们现在的碳排放量是最多的,但是我们是从90年代发展起来之后才大量排碳的,前两百年里我们并不是主要的碳排放贡献国。

但是也有这样一句话:要承担共同的,而有区别的责任。不管怎么说,我们国家已经定下了2030年实现碳达峰,2060年实现碳中和的目标。

什么是油?十年前,我们的电动汽车产业开始发展之初,国家政策之所以大力推动,主要考虑石油的战略安全问题。当时,中国的石油对外依存度是60%,现在已经达到70%。

但我们也要看到,十年之后,新能源汽车的单月渗透率接近30%,这带来了两方面的机遇:新能源汽车市场正高速发展,机会会越来越多,反过来,由于汽车的销售总量增长不是那么乐观,所以这相当于一个存量博弈的市场:新能源汽车越卖越多,燃油车就必然越卖越少。

省油还是用电?新能源车的路线之争

接下来,让我们回答一个根本问题:新能源汽车到底是省油还是用电?答案的背后是两种技术路线,这是业界争论了很长时间的问题。

如果要省油那就选择混动,混合动力系统构型有以下四种:P0,BSG皮带传动启停装置;P1,ISG电机处于发动机和离合器之间的启动机和发电机一体化装置;P2:电机处于离合器和变速器输入端之间,P3:电机处于变速器输出端或者置于后轴。

想省油,需要1、高效起动,2、发动机高效区直驱,3、高效回馈制动 4、合成峰值扭矩/功率。

电动车的最大问题在于如何快速补能,现在行业内有换电的解决方案,换电的优势是显而易见的,一方面,换电的效率更高,速度更快,另一方面,现在CTC/CTP技术发展,很多电池被集成在车身底盘上,一旦电池衰减了,底盘也会废弃掉,而换电就没有这个隐患。

也有人提出了其他可能性,比如太阳能汽车,2010年,世博会上推出了太阳能概念汽车;2011年,丰田推出带有光伏电池的汽车贴膜;2022年,荷兰Lightyear在前机盖和车顶上布置了4.9平方米的IBC单晶硅超级太阳能电池板。据悉,其“晒太阳”一小时就可以运行10公里。

当然,目前太阳能汽车的价格非常贵,什么时候这一技术的成本降低了,就能大规模走向市场了。

回过头来看,新能源汽车,尤其用于通勤的情况下,每日的里程需求是30-60公里,用户期待的一次充电里程在400-600公里,再此之上,除非有其他的出行需求,否则用户的购车预算就不会进一步增加。

如何在相似的成本和技术难度上进一步增加里程数?增程式应运而生,增程器最初的作用在于备不时之需,可以做的很小,成本极低,同时帮助用户在没电的情况下以油充电,解决急需。

再进一步,发动机可以稍微改变工况,不需要频繁将多余的能量储存在电池里,可以减少充放电能耗,提升燃油经济性,但是这种变工况的增程发动机和驱动电机就不再是独立的,系统存在耦合,复杂度提升。

在提高发动机效率的前提下,可以直接让发动机驱动车轮,电机进行配合,可以进一步减少损耗,系统也不再是单纯的增程式,而变成了PHEV(插电式)。既然此时发动机已经介入驱动车辆,就可以将单级减速器改成2档/3档变速箱,进一步扩展发动机可以高效介入的工况范围。

这一点上,增程器或者电动车有个特定优势。变速箱的核心技术是是动力中断和换档平顺性,对于电动汽车来讲,动力中断和换档平顺不好解决,因为换档速差比较大,如果只有两档,换档时就会产生3000转以上的速差。但如果是增程式,由于既有电机、又有发动机,可以一个换档,另外一个提供动力,没有动力中断。

总而言之,增程技术的发展方向同电池相关,电池能量密度越高,充电越方便,越趋向于多装电池,增程器也只是作为备选,不起到太大的作用;相反,则会从成本出发,将发动机高效介入的工况范围扩大。

但是增程式的底层逻辑不在于省油,而是尽量用电而不用油。

“十二五”的时候,科技部就定下了新能源汽车驱动系统的发展方向是纯电驱动。一方面,电机的高效区是发动机望尘莫及的,纯电驱动是最高效的驱动形式,从用户的角度看,以现在的油、电差价、只要能用电,用户一定会选择电。

但是,电池技术在安全和续航上不能完全满足要求,所以我们进入了过渡时段,在新能源车动力发展轴线上,最左端是纯燃油发动机驱动车、最右端是纯电电机驱动车,从左到右分别会是微混、弱混、轻混、中混、重混、phev,增程,燃料电池等等,从这条轴线看,增程式更靠近纯电电机驱动车。

新能源车用驱动电机的功能与要求

下面讲一下新能源驱动电机,新能源驱动电机的在功能上有以下六点要求:

第一,宽调速范围:这要求驱动电机在低速时可以输出大转矩(比如从零到100公里加速),高速巡航时需要具有恒功率输出特性;第二,高密度轻量化:电机的重量必须很轻,体积也不能太大,要保证新能源汽车的安装空间和整车重量限制,给电池让路;第三,高效率,是为了保障其续航里程;

第四,能量回馈,能够在车辆减速、制动的过程中将部分动能回收,从而提高车辆的续航里程和能源利用率;第五,高可靠性和安全性,其机械强度,抗震性,冷却技术,电气系统和控制系统都需要符合车辆安全性能的规定和标准;第六,低成本,以我个人的经历,十年前驱动电机+控制器要数万,现在只需要6000。

具体看新能源车用驱动系统对于电机的技术指标要求:1、电动机基速以下输出大转矩,需要有4~5倍的过载,以适应车辆的启动、加速、负荷爬坡、频繁起停等复杂工况。2、基速以上恒功率运行以适应最高车速。

这会遇到一个问题,电机一旦速度提升,功率可以维持不变,但转矩在下降,那高速超车就无力了。怎么解决这个问题?可以增加电压,从320V增加到800V,其转折转速就能提高,这样可以增大高速状态下的转矩。

接下来引入特斯拉的案例,在800A和385Vdc下,特斯拉可以实现420Nm和200Kw以上的功率输出,高速下,其16000rpm附近的效率在92-93%,相比国内的车辆,在高速续航上有显著优势。

要达到这种效果,需要两个关键的技术手段:第一,引入碳化硅这类大电流功率器件的支持,因为实现高功率高转矩输出的最主要策略在于提高最大电流。第二,采用0.25mm的薄硅钢片,越薄的片子涡流损耗就越低,有利于提高效率,此外,采用6极设计,降低铁耗是提高高速区间效率的关键。

电机所面临的挑战和应对策略

下图是电机的主要分类,最大类是直流和交流的区分,直流主要曾用在大型车上,交流电机主要分为同步和异步电机,其中同步又分为永磁电机、磁阻电机和绕线转子电机。

 

如何提升高速区间的电机效率?新能源车电机的路线发展之争

 

图片来源:上海大学教授,伟长学者,新能源电驱动中心负责人罗建演讲材料

目前行业主要用到的是异步电机、磁阻电机https://auto.gasgoo.com/news/202212/23I70326035C103.shtml、永磁电机,这几种电机的定子的基本结构是一样的,都是绕组线圈。针对定子的发展趋势,业界已经有了共识,那就是“走扁线”。这是由于扁线电机的槽满率高,端部规整免绑扎,散热性好,且易于实现机械化。

目前,扁线电机的技术要求是将“端部做短”,下图从左至右,分别是扁线电机端部越做越短的情况。

如何提升高速区间的电机效率?新能源车电机的路线发展之争

 

图片来源:上海大学教授,伟长学者,新能源电驱动中心负责人罗建演讲材料

我们目前的研究集中在扁线电机的平台化上,如何让扁线电机可以基于同一平台进行不同的功率变换,但同时保证定子的绕组简单,简化加工程序,这块也是近几年对定子研究的侧重点。

在转子侧,以永磁电机为例,永磁同步电动机的转子分为表面式永磁转子和内置式永磁转子,前者多用于直流无刷,方波电流;后者有弧形内置、“一”字内置、“V”字内置。转子对电磁性能的提升有关键性的作用。

还是以特斯拉为例,Tesla Model3的转子采用单V结构,采用两对辅助槽,其中大辅助槽放置在V字磁钢槽-表面磁桥处,小辅助槽放置在靠近极中心的地方,同时采用了错开斜极的方式改善磁通波形,调配永磁成分。

表贴的转子,交直轴磁路基本对称,无凸极效应和磁阻转矩;交直轴磁路的等效气隙很大,电枢反应较小,特性接近直流电机。

内置式转子的架构上,转子交直轴磁路不对称,电磁转矩由永磁转矩和磁阻转矩共同产生;磁阻转矩提高了电机的功率密度和过载能力,且易于弱磁扩速,扩大了电机的恒功率运行范围;交轴磁路的等效气隙小,电枢反应强烈。内置式转矩脉动大于表贴转子。

对于永磁电机,其问题在于永磁不可调,高速时反电势高,对此必须用弱磁进行限制。而弱磁控制要损耗电流,会使效率下降,表贴转子Id=0,低速铜耗低,效率最高,而高速弱磁困难。内置转子凸极强,高速弱磁较容易。

此时,纯磁阻电机因为没有永磁,电感就大,功率因数低,但好处是成本低,没有永磁材料。

进一步的开发方向是怎样的?主要是高速化,提高功率密度和转矩密度。高速化之后,铁损耗是主要问题,2万转以上,表贴式是主要解决方案。

另一种方案是不走高速,直接提高转矩密度,这也是学校机构的研究方向,包括横向磁场电机,轴向磁场电机,外转子电机,双转子电机,双定子电机……其中一款轴向磁场电机有槽无定子轭,后来发展为YASA电机,进一步的无槽无铁芯电机,没有铁耗,因此高速下的效率就能得到保证。

最后是关于永磁不可调和的问题,这也是研究的主要方向。永磁在高速情况下会出现反电势过高的问题,如果通过弱磁来削弱,那就会有电流损耗,功率因数就低,那能不能实现可调?

一种解决方案是,转子上如果有线圈,线圈可以调电流,像发电机一样,但有线圈就会增加结构复杂性。但把调磁线圈放到定子上,使该线圈不再占用功率,也是永磁电机所面临的挑战和技术发展方向。

(以上内容来自上海大学教授,伟长学者,新能源电驱动中心负责人罗建于2022年12月7-8日由盖世汽车主办的2022第三届汽车电驱动及关键技术大会上发表的《新能源车用电机发展趋势》主

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