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温旭辉:未来电机驱动的性能或决定新能源汽车的市场竞争力

http://www.newenergy.hc360.com2017年08月15日11:17 来源:中国客车网T|T

温旭辉:未来电机驱动的性能或决定新能源汽车的市场竞争力

    2017年7月19日,中国电动汽车百人会2017年第四期“电动汽车热点问题研讨会”在湖南省株洲市召开,本期研讨会聚焦“新能源汽车电力电子技术”。

    中国客车网从现场了解到,依靠关键技术的突破创新提高核心竞争力,已成为新能源汽车领域的共识。电力电子作为新能源汽车的关键技术,其技术进步影响着新能源汽车产业向电动化、智能化方向迈进。中国科学院电工研究所电动汽车技术部主任温旭辉针对“高性能车用电机驱动系统相对基础的研究”进行演讲。

    以下为演讲实录:

    各位领导,各位专家,各位同行,我的报告题目是高性能车用电机驱动系统相对基础的研究,我的报告分以下三个部分:

    第一,新能源汽车对电机驱动的需求。

    刚才欧阳老师对于整个节能和新能源汽车的发展路线进行了概括性的发言,当前对于新能源汽车来说,卡脖子的还是电池。但是欧阳老师也说道,电池的发展进步超乎了预期,到了2020年和2025年这样两个大节点的时候,可能电池就不是问题了,这个时候电机驱动系统对于整车动态性能等的影响会直接影响市场销售,电机驱动的性能可能决定这些汽车厂的市场竞争力。总的来说,新能源车对电机驱动系统的需求,我们归结为全局的性能优化、全局高效率和系统集成度的不断提高。

    这里我要给给大家汇报的,一个是在电机方面,另一个是在变流器电机驱动两方面的工作。

    首先永磁电机,我们提出永磁电机的多维设计,其实目标就是要做到全局的性能优化。新能源汽车的要求是动态性能、集成度、全局的高效。这张表的第一层要求是性能、高效和高集成度,每个一层要求往下分的时候还有更多更细的要求,以性能未来就有宽转速范围、高过载转矩等。我们把这些要求总体归结为性能设计空间、功率密度设计空间、效率设计空间。我们确定了永磁电机设计参数的一组最小的组合来作为设计的自变量,用性能、效率和功率三个空间组合来描述永磁电机,形成综合的设计方法。

    这张图是一张电机的关键参数图,还有一个没有画出来的轴是凸极率,对永磁来说,直轴电感、永磁磁链、凸极率是三个性能的参数。这三个参数往下一层跟电机的结构、电机的材料相关的,这三个参数就是一个媒介,可以决定电机的性能。我们可以把直流电压安全、单位功率因素、弱磁区以及变流器的纹波电流限制等都表达在这张图上,在这些限制线的中间区域就是我们可以选择的电机参数范围。通过一个换底的公式就可以利用这一张图对全速度和转矩范围的电机参数进行评价,具体技术我们有文章和博士论文,觉得一个电机的全局设计方法是很好用的,愿意拿出来跟大家分享,希望能够跟企业合作。

    另外,永磁高效区的规划。因为永磁电机在低速恒转矩区肯定是铜损为主,高速区一定是铁损为主。你也可以看得出最高效区并不一定在这个中间,甚至是在中低速轻载区,就是说我们高效区是可以规划的,可以用来提升能量的利用率,用在工程实践中,可以成为电机的一个卖点。从一个简单的条件出发,我们推出了一个非常简单的公式,用二次曲线来表达效率等高线,这样就可以做到对电机的高效区能够进行一些规划。

    这是一个例子,在这样一个例子里,一般电机的高效区在这个中间位置,但在这个例子中大部分频繁工作的区域并不在中间位置,怎么办呢?我们就把等高线,比如90%等高线往外画一点,这样一来我们就可以设计出平均效率更高的电机,在这个例子中使电机的平均效率设计值提升了约2%。

    另外,我们提的功率密度设计空间,实质是根据传热的条件来进行铜损、铁损的分配,在电机的损耗首先要控制得好的前提下,还可以通过铁损和铜损的分配来提升功率密度。当然,这样做的前提是,基础层面的铁损要算准、热阻要算准,尤其是在有喷油,有对流的情况下,热阻不太容易算准。我们做了一台370千瓦的水冷和喷油冷却结合的复合冷却电机,实现了以提升平均效率为目标的永磁电机高效区规划方法等,该电机平均效率设计值提升约2%。

    我们对永磁电机性能的研究已经做了不少的工作了,但是涉及NVH和电磁兼容的工作做的还很少,影响电机噪声和电磁兼容特性的一些参数根本就不在我刚才提出的那个基本的参数以内,下一步很有可能需要做深入的研究。我觉得在电池的制约瓶颈即将过去的时候,对电机和电力电子的性能对整车性能和市场的影响,我们要有一些提前的部署。

    下面给大家报告一下高功率密度车用变流器集成及SiC应用。株洲所电力电子集成已经做了相当的一个水平,刚才郭总也讲做到了20千瓦/升,至少产品这一级跟国外是相同水平。这张图实际上是丰田的产品水平,我们现在应该讲都跟上了。在电力电子基础方面,所需要的工作除了器件级的工作以外,实际上电热机多物理场耦合计算的方法和仿真确实是我们进行车用变流器高功率密度设计的一个助手。我这里头举一个例子,这是在“十二五”863的一个课题里面做到的,重点设计了一个非常简单的零件母排,让它有了机械连接、电气连接和旁路局部过热的能力。我们借助电磁机热多物理场仿真,使逆变主回路的杂散电感减少了50%,回路电感的减小对于碳化硅应用来讲会更加重要,同样也普遍降低多个过热点的温度。实际我们对于多物理场的应用还需要开展更进一步的工作,比如EMC的问题等。

    接下来是碳化硅,目前我们正在做这样一个工作,以碳化硅的技术来讲,它在105度下大概能做到57千瓦/升,165千瓦车用控制器以当前的技术是一个登山包这么大,但是以碳化硅大概一个B5打印纸或者一卷卫生纸这么大,是非常小的,从2014年以来,我们大家都看到,丰田、三菱等各家都在做。

    我们电工所跟国内多家大学、企业合作得到国家重点研发计划支持。今年我们做出来了一个变流器,借用Cree的50ASiC芯片研制了SiC模块,我们和法拉电子仪器重点开发了复合功能电容。电容其实占电机控制器的体积很大,关键的问题就在于许用纹波电流受到温度等很大的限制,所以我们第一步重点要把电容做好,现在情况下,把使用纹波电流提高到原来的270%,就是2.68倍。我们也尝试了做一个非常高功率密度的控制板,也要适应我们现在芯片的大规模集成电路(很多芯片都集成到一起)的特点,比一个信用卡大不了多少,而且可以50K开关频率的应用,其他都还在测试的过程中。但是从目前工作情况来看,原来以为丰田说的将车用变流器体积减到原来的1/5觉得是奇迹,目前来看应该讲一定是可以实现的。

责任编辑:朱婧芸

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