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东风汽车:马赫E超高速电驱动设计

新车测评 2024-01-06 452

经过约10年的发展,电驱动系统取得了显著进步,呈现高速化、高压化、高效化、高集成、智能化、低噪声、低成本等特点,新的拓扑结构不断涌现。

这一背景下,东风汽车启动了第四代电驱动总成的设计开发。“马赫是音速单位,以马赫动力冠名,代表动力澎湃、超强驾控、高效环保,致力于给用户带来极速、极静、极省、极苛的驾乘体验。”2023年12月15日,在第四届汽车电驱动及关键技术大会上,东风汽车公司研发总院电驱动设计总师张经纬介绍。

他表示,新一代产品将面向多样化场景,目标是把转速提升至25000转,并采用多合一设计,结合新的驱动需求提出智能控制算法。

张经纬 博士 | 东风汽车公司研发总院电驱动设计总师

以下为演讲内容整理:

电驱动系统发展趋势及挑战

电驱动系统的发展历程主要分为四个阶段。在2016年以前,各主要部件以物理分离的形式安装在整车上,电压为400V,转速在12000转以下,综合效率约84%,功率密度约1kW/kg。此阶段电机主要采用圆线和常规矢量控制技术。

图源:演讲嘉宾素材

随着技术的迭代,至2020年之前,转速提升至15000转,效率增至87%,功率密度进一步提高。此时,电机以水冷圆线为主,并开始应用双面水冷IGBT及高带宽矢量控制技术。

至2024年,我们进入电驱动系统的第三个阶段。此阶段以三合一和多合一为主,电压逐步提升至800V,转速超过16000转,综合效率达89%,功率密度达到2kW/kg以上。电机技术特征为多层扁线及高效油冷。此外,不同厂家采用不同技术路线,例如多挡减速箱等,轴电压和轴电流抑制技术、NVH优化等也获得广泛关注。

从2024年开始,将进入800V平台的技术阶段,下一代电驱动系统将具有超融合设计特征。电压全面普及800V,转速提升至20000转以上,综合效率达到92%以上,功率密度增加至2.4kW/kg以上。电机除采用多层扁线外,超级铜、利兹线、纳米非晶等先进材料技术也逐步引入。在智能控制领域,域控、分布式驱动和功能安全等技术也快速发展。

经过约10年的发展,电驱动系统取得了显著进步,呈现高速化、高压化、高效化、高集成、智能化、低噪声、低成本等特点,新的拓扑结构不断涌现。这些进步离不开材料、工艺、冷却、器件和集成结构的发展,整个行业的进步推动了电驱动系统的快速迭代和发展。

随着材料、工艺、器件、冷却等技术的全面发展,电驱动系统呈现出快速发展、持续迭代的趋势。

在材料方面,导电、导磁、结构、绝缘和永磁材料都有所进步。从工艺角度看,电机的铁芯连接方式从焊接、铆接,发展到针对超薄硅钢片的自粘接技术。扁线技术也经历了I-pin、U-pin到W-pin和X-pin的快速发展。冷却方式也从水冷为主演变为油冷、油水混合冷却,并向正在发展中的槽内油冷持续迭代。

在器件方面,碳化硅功率器件的大规模普及和应用、高速轴承、绝缘轴承、高性能导电环和其他辅件也在不断发展。

集成结构方面,根据弱电和强电的不同,有控制器低压集成(包括物理集成、功能集成和逻辑集成等)、功率控制器和模块的功能集成以及系统机械集成(共壳体、共油路和同轴集成等新拓扑结构)等多个发展方向。

高速化、高压化是主流技术趋势,带来显著的性能改善,各大车企纷纷布局。

以我们自己开发的25000转、200千瓦电驱动系统与已有电驱动系统为例,对比结果显示:采用25000转、800V的电驱动系统后,系统体积降低18%,重量降低25%,工作效率提高3%。同时,对整车而言,这将带来5%续航里程的增加、5%起步转矩增加以及最高车速提高20%。

2021年12月前发布的电驱动系统,其转速普遍在18000转左右,少数能达到20000转。然而,在近两年时间里,也就是2023年11月左右,其他公司发布的电驱动系统转速普遍超过20000转,部分甚至已经达到22000转。

东风汽车在2023年10月成功研发出转速高达25000转的超高速电驱动系统,在该领域达到了行业领先水平。

面对高压化和高速化,电驱动系统的设计将面临一系列挑战。对于总成,要解决轴电压和轴电流的抑制、NVH优化、EMC优化、高效热管理设计以及可靠耐久性设计等问题。对于电机控制器,要考虑碳化硅功率器件、高性能MCU的使用、EMC设计、轴电压和轴电流抑制算法,以及如何进行可靠性设计等问题。在电机方面,要关注高速转子的高强度设计、轴电压和轴电流抑制、800V绝缘结构设计、高效率电磁方案设计以及冷却技术。减速器方面,需要关注NVH和高齿轮强度的设计以及工艺一致性问题。

马赫E纯电驱动平台简介

马赫是音速单位,以马赫动力冠名,代表动力澎湃、超强驾控、高效环保,致力于给用户带来极速、极静、极省、极苛的驾乘体验。

图源:演讲嘉宾素材

马赫E动力覆盖三大动力平台,包括马赫G节能动力平台、马赫MHD混合动力平台以及马赫E纯电驱动平台。总计包括六大平台产品,其中马赫E是我们在2023年4月10日发布的,标志着马赫动力正式进军新能源纯电领域。E代表电动、高效、节能和环保的首字母缩写,也代表我们追求的技术方向。

马赫E的发展并非一蹴而就,经过了长达10年的探索。东风汽车是国内较早从事新能源汽车研发的企业之一,早在2018年之前便推出了第一代iD1系列产品,主要采用分离式结构,实现电驱动的基本功能。

从2020年开始,马赫E全面升级到扁线绕组技术,主要包括iD2系列的70、90、160和240等电驱动产品。这些产品的转速提升至16000转,并具有高集成的特点。同时,我们采用了双面冷却IGBT的应用和初步功能安全技术。到2023年之前,我们已经完成了iD3系列的全面普及和替代,在iD2的基础上实现了三合一和多合一的开发。

此外,马赫E还完全实现了自主化、智能化和模块化的升级。目前,我们已量产十合一的iD3-70,三合一、五合一和六合一的iD3-160以及iD3-200和iD3-400电驱动系统;采用了TCU控制集成、多核处理器应用技术以及NVH优化技术。

自2023年起,我们启动了第四代电驱动总成的设计开发。这一代产品将面向多样化场景,目标是把转速提升至25000转,并采用多合一设计,结合新的驱动需求提出智能控制算法。

马赫E电驱动系统的开发目标,以极致融合、高速高效、动力澎湃和智能控制为核心。在极致融合方面,iD3-70已实现十合一,未来将推出十合一超融合、高集成的电驱动系统。高速电机目标转速达到3万转;系统最高效率追求超过94.5%;在动力方面,iD3-400首创两档双电机平台,装配于917产品上,可实现最大功率400千瓦、最大轮边扭矩8000Nm;智能控制方面,我们通过全场景微秒级精确控制,力求加速平稳、减速稳定、驾驶舒适。

马赫E电驱动产品已全面覆盖东风集团内部多个乘用车模块,多款车型已经投放市场,包括东风风神E70、SKYEV01、007,东风纳米01、917,岚图梦想家、追光等车型。但并非东风所有乘用车都使用自制电驱动系统。东风汽车作为央企,有“自主可控”的目标,这也是我们坚持自主创新的根本原因。与此同时,我们尊重市场规律,也希望在供应商的支持下,推出更具性价比和性能体验的乘用车。我们与弗迪动力、联电等供应商保持密切交流与合作,未来将采取自制、外购同步走的策略。

马赫E超高速电驱系统设计

针对下一代高速化、高压化、高效化、高集成的电驱动系统,提出马赫E超高速电驱动系统开发目标。主要目标包括电压从现有的400V提升至800V、峰值转速从现有的16000转提高至25000转,甚至30000转,综合效率从现有的89%提高至92%、集成方式从三合一进化至多合一甚至十合一。

图源:演讲嘉宾素材

对于高速电机,首要任务是实现电磁方案的优化。这一目标无法通过单一方法达成,需要通过多种精细化策略实现电机的高效设计。

首先,采用多目标优化。在任何一款电驱动系统的开发过程中,都需要经过多轮次的优化设计,从上万种方案中挑选出综合性能最优的一种。

为了提高效率,我们采用了超薄硅钢片,优化了槽节配合,减少谐波含量。针对超薄硅钢片的运用,引入了粘接工艺。在铜耗抑制方面,通过双V结构与精细化的设计,提高了磁阻转矩。此外,采用了8层的扁线绕组设计,优化槽口形状尺寸,减少交流损耗。

在绕组方面,采用无桥接、无环流绕组,并采取其他措施,如机械损耗抑制、磁钢损耗抑制和运行损耗抑制,通过各种手段尽可能降低损耗。

整个电机的研发分为两轮,技术分两个阶段实施。目前,扁线电机已完成性能试验,峰值率达到98%。

对于高速电机,首要任务是设计高强度的转子。这涉及到一系列工艺和实验等技术问题。我们首先进行常规的性能仿真分析。由于国内外的高速试验台架资源非常稀缺,尤其是25000转的高速试验台架资源非常有限,我们提出了一些创新的解决思路。

我们将高速旋转的转子离心力转化为径向拉伸力,化动为静。通过这种方式可以测试不同温度和厚度下的转子强度和应力。我们做了大量实验,并针对这些实验结果和动态旋转实验结果修正了计算模型。基于这些数据,我们对碳纤维的绑扎厚度和磁桥尺寸进行了细节化的设计和优化。

实验结果显示,磁桥优化后,转子在0.6毫米绑扎厚度下可以实现屈服转速28000转,碳纤维转子在34447转时仍未发生爆裂。我们认为转子可以完全支撑到35000转的运行。

对于油路设计,温升抑制是高速电机中值得考虑的问题。我们延续了iD3-400上的成熟设计,虽然不是最经济的方案,但一定是最高效的方案。通过喷油管和转子油路的精细化设计,可以对电机的各个部分进行精细化冷却。这种方案的优点在于油压稳定、喷射均匀且不受整车姿态影响,任何情况下都能达到理想的冷却效果。实验发现,冷却效果相比水冷电机提高20%,峰值功率时间提高至30s以上。

自主化800V碳化硅器件的开发。东风汽车的800V碳化硅电机控制器完全是自主研发,包括所用的碳化硅功率器件也是我们东风集团智新半导体的产品。整个驱动板、控制板以及主拓扑结构都是我们自己的设计和开发,经过了多轮迭代,目前已经进入C样阶段。

从实验结果来看,在转速16000-19000的范围内、扭矩50NM的工况下,我们实现了最高效率接近99.6%。根据给出的效率设计图,可以明显看出效率超过90%的部分占比超过100%。

图源:演讲嘉宾素材

这是我们对减速箱设计的简要介绍。作为传统车企,东风在减速箱设计方面积累了丰富的经验。减速箱是制约高速电机的重要因素,电机可以做到3万转,但减速箱很难达到这个转速。据我们所知,22000转以下的减速箱基本可以实现量产,而更高转速则需要大量的设计和研发工作。25000转以上的减速箱设计极具挑战性。

前期,我们针对减速箱设计进行了大量实验,通过最优化的配合设计和高精度制造工艺,提升了传动效率、改善了NVH性能和可靠性。左图展示了减速箱的设计要点,我们采用了定向润滑的控制策略。在减速箱上方设有专门的集油盒,通过甩油和特殊油路设计确保润滑油能够均匀分布。

此外,我们对轴齿的参数进行了详细的设计和优化,包括宏观参数和微观参数等,我们选用了高集成的电子油泵,通过这些措施,减速器的CLTC效率达到了97.2%。右图展示了在超高速减速箱设计开发过程中进行的润滑实验、NVH实验和效率测试。

此外,我们在轴电压和轴电流抑制方面也开展了一些工作。对于800V系统而言,轴电压和轴电流是一个巨大的挑战。在研发过程中,我们通过多种抑制措施,成功观测到了三种典型的轴电压和轴电流放电波形,包括无放电、加工放电和阻尼放电的波形。在此基础上,我们优选了轴电压和轴电流的抑制措施,并通过控制算法来抑制轴电压和轴电流。这些措施使轴电压降低50%以上,显著提高了电驱动系统的可靠性。后续工作将继续关注这一领域的发展。

图源:演讲嘉宾素材

至于总成部分,我们已完成了电机、电控和减速器的总成性能试验,部分数据正在整理中。总体而言,我们三合一的电驱动总成最高效率达到了95%。图中所示为前期电机标定的实验数据,最高转速为25000转,对应的扭矩达到60NM。在峰值扭矩约为240NM、最大功率为240千瓦的情况下,电机最高效率达到了98%左右。

总结来说,超高速电驱系统的开发需要电机、电控、减速器等各方面零部件的全面进步才能实现。为此,东风研发总院针对自主研发的设计需求,在多个方向上同步发力,通过这种全自主的设计开发全面提升设计性能。针对电机部分,我们通过轴电压和轴电流抑制、高精度轴齿设计、碳纤维转子、超薄硅钢片以及8层扁线绕组和供油热管理的设计,实现了超高转速800V高效、宽域高效以及高效冷却的设计目标。总体来说,我们达到了设计的预期效果。

(以上内容来自东风汽车公司研发总院电驱动设计总师张经纬于2023年12月15日在2023第四届汽车电驱动及关键技术大会发表的《马赫E超高速电驱动设计》主题演讲。

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作者:新车测评本文地址:https://nnxinche.com/chepin/37197.html发布于 2024-01-06
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