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50余款新能源汽車驅(qū)動電機發(fā)展趨勢!

發(fā)布時間:2023年4月3日 | 文章來源:電機行業(yè)觀察 | 瀏覽次數(shù):1,708 | 訪問原文

? ?本文梳理了電動汽車用電機的發(fā)展現(xiàn)狀,根據(jù)目前已經(jīng)量產(chǎn)的50多家電動車用電機的典型電機設計與應用進展情況,從不同的方向進行一個描述總結(jié)。從電機的角度主要的研發(fā)現(xiàn)狀可以總結(jié)為以下幾點:
電機類型永磁化
? ? ? ?永磁化已經(jīng)成為了行業(yè)的標配,電勵磁及感應電機的研發(fā)應用逐漸增多。另外,一些特種電機的研發(fā)也在持續(xù)的進行。如開關磁阻電機、軸向電機、無稀土永磁電機等。目前市場上的各種純電和混動新能源汽車,永磁同步電機占多數(shù),感應電機占一小部分。相比永磁同步電機,交流感應電機體積較大,但是價格適中,但是感應電機可以做得功率很大并且不存在退磁問題,所以一些大型車或者追求性能的電動汽車,比如特斯拉Model S和蔚來ES8,都采用感應電機。總的趨勢來講,永磁化是一個方向,不過在大功率以及高速的應用下感應電機還是有自己的一席之地。
其他類型的電機主要是在特種車輛上進行應用;開關磁阻電機:Turntide Technologies公司通過在電機中放置傳感器來追蹤轉(zhuǎn)子運動,已經(jīng)克服了很多此類電機的問題。工程師使用機器學習算法來確定開關電流的正確時間。工程師設計出一種無傳感器開關磁阻電機,將振動最小化。

軸向磁通電機:比利時Magnax公司的產(chǎn)品減少電機重量、尺寸和成本。他們的設計旨在把轉(zhuǎn)子和定子齒部的空氣間隙減到最小。電機使用了SRS的方式,兩個轉(zhuǎn)子,各位于定子的一邊。在這種配置中,定子支撐起電磁齒輪,但并不充當轉(zhuǎn)子的支撐或軛。軛是一個占定子質(zhì)量三分之二的鋼制圓筒。若沒有軛,電機重量可大大減輕,該公司估計這一做法可讓電動汽車續(xù)航能力提升7%。

雙向磁通電機:Linear Labs公司(位于美國得克薩斯州達拉斯-沃斯堡)采用了另一種方式,該公司選擇在一個電機中結(jié)合軸向和徑向磁通設計。該公司的“三維(3D)周向通量電機”包括圍繞定子的4個轉(zhuǎn)子。中央轉(zhuǎn)子在定子內(nèi)部旋轉(zhuǎn),而第二個轉(zhuǎn)子在定子外部旋轉(zhuǎn)。另外兩個轉(zhuǎn)子分別位于定子的左右兩端,總共有4個磁通源,各個轉(zhuǎn)子在運動的方向上都會產(chǎn)生扭矩。

扁線電機or圓線電機
? ? ? ?扁線電機滲透率快速提升。2021 年特斯拉換裝國產(chǎn)扁線電機,帶動滲透率大幅提升,扁線電機的趨勢已經(jīng)確定。眾多潛在爆款車型使用扁線電機,預計?2025 年滲透率將快速提升至 95%。眾多高端車型均搭載扁線電機,比亞迪的 DMI 車型和 e++平臺全系都是扁線電機,大眾 MEB、蔚來 ET7、智己 L7、極 氪 001 等明星車型采用的都是扁線電機。扁線電機能大幅度提升轉(zhuǎn)換效率。在WLTC工況,扁線電機比傳統(tǒng)圓線電機的轉(zhuǎn)換效率高 1.12%;在市區(qū)工況(低速大扭矩),兩者效率值相差10%。按照典型的續(xù)航500km的 A 級轎車(搭載 60kwh電池包和 150kw 電機)計算,WLTC 工況下,搭載扁線電機的電池成本節(jié)約 672 元,市區(qū)工況下,電池成本節(jié)約 6000 元。

? ? ???扁線的槽滿率大于圓線,當槽滿率越高時相同功率電機所需要的銅線更短,進而電阻降低發(fā)熱減少。從理論上來說,圓線的凈槽滿率一般在約40%左右,而扁線則可以提升至70%。由于圓線的截面為圓形,不可避免在導線間存在不規(guī)則縫隙,而扁線間的間隙更小,槽滿率更高。扁線電機的高效率區(qū)間比圓線電機高出許多,圓線電機的高效區(qū)一般要求是效率>85%的區(qū)間占比不低于 85%,被稱為“雙 85”。而扁線電機的效率>90%的 區(qū)間占比不低于 90%,被稱為“雙 90”。電機的效率與轉(zhuǎn)速和扭矩相關,市區(qū)工況中出現(xiàn)的頻繁啟停工況屬于低轉(zhuǎn)速 高扭矩工況,而這正是圓線電機的低效率區(qū)間,而扁線電機在該工況下的轉(zhuǎn)換效率更高。
扁線電機散熱性能好:溫升相對圓線電機降低10%。因扁線相對圓線更為緊密的接觸,散熱性提升,研究發(fā)現(xiàn)高槽滿率下繞組間的導熱能力是低槽滿率的150%。繞組在熱傳導能力上具有各向異性,軸向的熱傳導能力是徑向方向的100倍。更低的溫升條件下,整車可以實現(xiàn)更好的加速性能。電磁噪音低:整車更安靜。?扁線電機導線的應力比較大,剛性比較大,電樞具備更好的剛度,對電樞噪 音具有抑制作用;可以取相對較小的槽口尺寸,有效降低齒槽力矩,進一步降低 電機電磁噪音。

小體積帶來高集成效率,契合多合一電驅(qū)發(fā)展趨勢:因扁線更高的槽滿率,同功率電機銅線用量和對應定子較少,體積有望下降30%。此外,扁線電機因更為先進繞線方式帶來更易裁剪的電機端部,與圓線電 機相比減少15-20%的端部尺寸,空間進一步降低,實現(xiàn)電機小型化和輕量化。

扁線電機大規(guī)模應用也需要克服一些缺點,比如良品率低,轉(zhuǎn)速上不去,標準化難以及專利壁壘等。在高端車型中為滿足對高性能的追求,搭配扁線電機數(shù)量也開始由原來的單電機增加到雙電機,例如保時捷首款純電動跑車Taycan,甚至部分車型會搭配三電機。
絕緣?車規(guī)級新能源汽車用扁線對耐熱性要求高,主要采用耐溫≥180℃的聚酯亞胺漆包線漆、聚酰胺酰亞胺漆包線漆、聚酰亞胺漆包線漆這三種耐高溫絕緣材料進行漆包。聚酯亞胺漆具有較好的電氣性能和機械強度,且耐熱沖擊和耐軟化擊穿。在180級及以上復合涂層漆包線制造中作為底漆涂層的主要材料,在高附著和耐氟利昂的家用電器中得到廣泛應用。聚酰胺酰亞胺漆耐熱性高,不僅漆膜硬度和非軟化性很大,并且對導體粘合力較高,最先得到產(chǎn)業(yè)化,可在 210℃下長期使用。用于耐高溫電機電氣電子元件的線圈繞組,被用作電磁線的絕緣涂層。聚酰亞胺漆耐熱性能優(yōu)異,同時能夠耐老化,耐高壓電擊穿等。其主要運用 于絕緣漆覆包電磁線,或作為耐高溫涂料應用于電氣行業(yè)、航空航天、石油管道 等。
高壓化
研究方向:800V 被認為是下一代電動車必經(jīng)之路,2019 年保時捷發(fā)布全球首款 800V 車型 Taycan。現(xiàn)代 E-GMP5、奔馳 EVA、通用第三代純電動平臺以及大眾 Trinity, 都選擇了800V 電壓平臺。吉利SEA浩瀚平臺、廣汽、奇瑞、上汽等車企都在規(guī)劃800V的方案,800V成為車企新一輪競爭的制高點。優(yōu)勢:800V能顯著降低高壓線束線徑,減少發(fā)熱,降低質(zhì)量,節(jié)約線束成本。電壓等級從400V提高800V,根據(jù)最簡單的P=UI,在輸出相同功率的情況下,800V系統(tǒng)所傳輸?shù)碾娏骶透。€纜線徑和重量就可以降低,節(jié)省線束的成本及安裝空間。

劣勢:800V平臺下電暈腐蝕出現(xiàn)概率增加,電暈腐蝕會對電機絕緣造成重大危害。電暈放電是指氣體介質(zhì)在不均勻電場中的局部自持放電,是最常見的一種氣體放電形式。通常發(fā)生在在曲率半徑很小的尖端電極附近,如繞組出槽口處、繞組絕緣層內(nèi)部等。電暈即氣隙放電,部分能量轉(zhuǎn)換為光、熱、聲、 電磁等,會造成

1)熱效應局部溫度升高,絕緣老化等;

2)機械損壞,大量帶電 離子“電子和正負離子”以高能量和高速度撞擊,造成絕緣層機械強度降低、局部放電區(qū)域絕緣層出現(xiàn)麻點、麻坑、孔眼等絕緣失效問題;

3)化學損壞,氣體局部 放電形成臭氧,臭氧化學性質(zhì)不穩(wěn)定,易生成氧化氮,再與水蒸氣反應生成硝酸, 腐蝕絕緣層。

技術路線:要滿足800V的技術要求,主要通過兩種技術路線:1)厚漆膜工藝,2)薄 漆膜+PEEK 膜包工藝;提升漆膜厚度是最簡單有效的途經(jīng),漆包線的絕緣性能與漆膜厚度成正比,?現(xiàn)在主流的新能源扁線的結(jié)構(gòu)是:內(nèi)層為銅扁線導體,根據(jù)扁線性能要求和使用 領域不同,銅扁線導體外涂設有二層或者三層絕緣漆膜,漆膜具體包括底漆層、 耐電暈漆層和面漆層。第一層為聚酯亞胺或者聚酰胺酰亞胺漆膜,第二層為耐電 暈漆膜,第三層為聚酰胺酰亞胺或者聚酰亞胺漆膜。

冷卻形式多樣化
? ? ??電動機主要冷卻方式有自然冷卻、風冷和液冷。在電機必須封閉防護,或者無強風的應用環(huán)境中,采用最多的是內(nèi)油冷方式,比如AVL設計的高速電機采用的定子槽內(nèi)油冷的方式的組合。有些電機也采用繞組噴油冷卻+定子油冷+轉(zhuǎn)子油冷等多種方式的組合。

液冷的形式:電機冷卻系統(tǒng)處于較低溫度時,冷卻液泵不工作。溫度上升后,冷卻液泵工作。冷卻液泵的工作溫度不能超過75℃,最合適的工作溫度應該低于65℃。電動汽車驅(qū)動電動機與控制器的冷卻系統(tǒng)主要依靠冷卻水泵帶動冷卻液在冷卻管道中循環(huán)流動,通過在散熱器的熱交換等物理過程,冷卻液帶走電動機與控制器產(chǎn)生的熱量。為使散熱器熱量散發(fā)更充分,通常還在散熱器后方設置風扇。電動機在工作時,總是有一部分損耗轉(zhuǎn)變成熱量,它必須通過電動機外殼和周圍介質(zhì)不斷將熱量散發(fā)出去,這個散發(fā)熱量的過程,我們就稱為冷卻。

?水道設計要點:水道截面尺寸增大,其冷卻水流速將下降,水道對流傳熱系數(shù)也將減小,受冷卻水套機械強度的限制,水道截面尺寸不能無限制增大;若水道截面尺寸減小,冷卻水流速將增加,其對流傳熱系數(shù)增大,但流動阻力也將增大。水道截面尺寸增大,其冷卻水流速將下降,水道對流傳熱系數(shù)也將減小,受冷卻水套機械強度的限制,水道截面尺寸不能無限制增大;若水道截面尺寸減小,冷卻水流速將增加,其對流傳熱系數(shù)增大,但流動阻力也將增大。可見,在設計冷卻水套時,除了工藝實施性和造價因素之外,更需要考慮括冷卻水套水頭損失分析、水道內(nèi)的對流傳熱分析以及整個水套的機械應力分析與計算。利用熱流仿真分析軟件可以對電機的冷卻水套進行優(yōu)化設計,實現(xiàn)最佳散熱性能和最小泵功消耗的最佳匹配。
高功率化
高功率密度,整車動力更強勁。?電機的功率與銅含量成正相關,扁線電機槽滿率提升,相同體積下銅線填充量增加20-30%,輸出功率有望提升20-30%,整車動力 更強勁。國外如大眾、沃爾沃、克萊斯勒等驅(qū)動電機最高轉(zhuǎn)速不斷提升,最高達到14k~16krpm;從繞組結(jié)構(gòu)上看,發(fā)卡式繞組/扁導線繞組(通用、豐田、本田、戴姆勒等)成為明確的技術方向之一,電機功率密度均達到3.8~4.5kW/L以上;無/低重稀土材料已經(jīng)開始應用。國家政策層面倡導高電機功率密度。“十三五”規(guī)劃中提出,新能源乘用車電 機功率密度應滿足4.0kw/kg,高于當前圓線電機約 3.5kw/kg 的水平。在圓線電機 功率密度提升進入困難模式的當前,發(fā)展扁線電機是必然之路,根據(jù)摩恩電氣的 公告顯示,當前領先企業(yè)的扁線電機的功率密度約4.5kw/kg美國DOE2025的電機功率密度指標大于等于5.7kW/kg。英國的Equipmake號稱要研制峰值功率密度20kW/kg的破紀錄電機。不過最后做了幾輪的嘗試,第一臺電動機稱為APM120,重量僅為14 kg,可在12,000 rpm下獲得125 kW的峰值功率。此外,連續(xù)功率為75kW,峰值扭矩為130Nm。計算可知,功率密度約為9 kW/kg。第二臺電動機性能更強勁,稱為APM 200,重達40 kg,可在10,000 rpm下獲得220 kW的峰值功率。此外,連續(xù)功率為110 kW,峰值扭矩為450 Nm。計算可知,功率密度約為5.5 kW/kg
高速化
? ? ? ? 在電驅(qū)動總成輸出轉(zhuǎn)矩和功率不變約束下,通過提高驅(qū)動電機和減速器最高轉(zhuǎn)速,降低電機體積和重量,提高功率密度水平。大眾、沃爾沃、克萊斯勒等國外汽車企業(yè)通過不斷提升電機轉(zhuǎn)速來降低電機體積和重量,大眾汽車模塊化電驅(qū)動平臺(MEB 平臺)電機最高達到16000rpm,沃爾沃與克萊斯勒電機最高轉(zhuǎn)速需求達到14000rpm,特斯拉Model3 驅(qū)動電機最高轉(zhuǎn)速達到17900rpm。??我國驅(qū)動電機功率密度、效率等整體技術提升很快,技術水平與國外同類產(chǎn)品相當,驅(qū)動電機重量比功率已達到 4.0kW/kg 以上新能源電驅(qū)動系統(tǒng)呈高速化發(fā)展趨勢,轉(zhuǎn)速水平從主流的15000rpm升級到18000rpm甚至20000rpm轉(zhuǎn)以上。但是高速化帶來的散熱、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、振動噪音、高效設計、軸承等問題又不得不去解決。高速電機的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)必須要克服的離心應力,一般在“高速”的范圍內(nèi)采用金屬護套、轉(zhuǎn)子本身結(jié)構(gòu)等,而在超過18000的范圍內(nèi)采用碳纖維纏繞
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