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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车讯

来源:admin     热度:0      时间:2023-01-08 08:51:15

核心提示:电机效率与高速化是新能源车用电机长期难以协调的一对矛盾。

电机效率和高速化是新能源车用电机长期难以协调的矛盾。

在基速转速以下,电动机的效率最高,若超过基速转速,则电动机电力优选为一定的最大值,但转矩随着转速的上升而持续减少,因此基速后的电动机的铁消耗量随着转速的上升而增加,能量消耗量持续增加。

2022年12月7日~8日,在由盖世汽车主办的2022第3届汽车电气驱动关键技术大会上,上海大学教授、伟长学者、新能源电气驱动中心负责人罗建表示,在800A和385Vdc中,特斯拉可实现420Nm和200Kw以上的输出,高速时16000rpm附近的效率为92~93%指出与国内车辆相比,高速续航具有显著优势

特斯拉方案的秘诀之一是采用0.25mm薄硅钢片,越薄片涡流损耗越低,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。

罗建上海大学教授、伟长学者、新能源电气驱动中心负责人

以下是演讲内容的整理:

为什么要做新能源车。这背后主要有两个驱动力:一个是碳,一个是油。

什么是碳?碳中和碳峰,中国的碳排放比世界其他国家都多,据说树木抗风能力强,所以我们要做一些工作。当然,我们目前的碳排放量是最多的,但我们在90年代发展后大量排放碳,所以前200年我们不是主要的碳排放贡献国。

也有人说,承担共同责任,还有别的责任。无论如何,我国已确定2030年实现碳峰,2060年实现碳中和的目标。

什么是油?10年前,我们的电动汽车产业开始发展之初,国家政策之所以得到大力推行,主要是考虑到石油的战略安全问题。当时,中国对石油的对外依赖度为60%,现在已达到70%。

但10年后,新能源汽车单月渗透率达到近30%,这带来了两个机遇。新能源汽车市场发展迅速,机遇将越来越多。相反,由于汽车销量增长不那么乐观,这相当于库存量游戏的市场:新能源汽车越畅销,燃料车必然卖不出去。

你是省油还是用电。新能源汽车路线之争

接下来,让我们回答一些根本性的问题。新能源汽车是省油还是用电。答案背后有两条技术路线,这是业界长期争论的问题。

如果节油选择混合,混合动力系统结构有以下四种:P0、BSG皮带传动启停装置、P1、ISG电机在发动机与离合器之间的起动机与发电机一体化装置,P2:电机在离合器与变速器输入端之间P3:马达位于变速器输出端或在后轴。

节约用油需要1、高效起动、2、发动机高效区直驱动、3、高效反馈制动器4、合成峰值转矩/功率。

电动汽车最大的问题在于如何快速补充能源。目前行业内有换电解决方案,换电优势明显。另一方面,换电效率更高,速度更快。另一方面,目前CTC/CTP技术发展,很多电池都集成在车身底盘上。当电池衰变时,底盘也会报废,但换电没有其危险性。

也提出了太阳能汽车等其他可能性,2010年,世博会推出了太阳能概念车。2011年,丰田推出带太阳能电池的汽车层压薄膜,2022年,荷兰Lightyear在前盖和车顶配置了4.9平方米的IBC单晶硅超级太阳能板。据说“晒太阳”一个小时可以开10公里。

当然,目前的太阳能汽车价格非常高,什么时候这项技术成本降低,才能大规模进入市场。

回顾一下,对于新能源汽车,特别是通勤用的,每天的里程需求为30-60公里,用户期望的一次充电里程为400-600公里,再加上,除非有其他出行需求,否则用户购车预算不会进一步增加。

如何在类似的成本和技术难度上进一步增加里程。增程式应运而生,增程器最初的作用是备战不时之需,能做的很小,成本极低,同时帮助用户在没有电的情况下用油充电,解决需求。

而且,发动机能够稍微改变运转状况,不需要频繁地将多余能量储存在电池中,能够减少充放电能耗,提高油耗,但是改变这种运转状况的增程发动机和驱动电动机已经不再独立,系统中存在耦合复杂性提高。

在提高发动机效率的前提下,可以让发动机直接驱动车轮,组合电机,进而减少损耗,系统也不再是单纯的增程式,而是变成了PHEV(插电式)既然此时发动机介入驱动车,就可以将单级减速器变更为2速/3速变速器,可以进一步扩大发动机能够有效介入的模式范围。

在这方面,距离增加器和电动汽车都有特定的优点。变速箱的核心技术是动力中断和变速平移性,对于电动汽车来说,动力中断和变速平移难以解决。由于变速速度差比较大,所以如果只有2档,则在变速时产生3000转以上的速度差。但是,如果是增程式的,既有电机也有发动机,所以可以有一个换档,另一个提供动力,没有动力中断。

总之,增程技术的发展方向与电池有关,电池能量密度越高,充电越方便,有多装电池的趋势,增程器也只是作为替代,并没有起到太大的作用,反之从成本方面考虑,将扩大用于发动机的有效介入的运转状况的范围。

但增程式的基础逻辑在于尽量用电而不用油。

在“十二五”规划时,科技部将新能源汽车驱动系统的发展方向定为纯电驱动。另一方面,电机的高效区连发动机脚下都不如,纯电驱动是最高效的驱动形式,从用户的角度来看,只要能使用目前的油、电的差额、电,用户就一定会选择电。

但由于电池技术在安全和续航性方面不能完全满足要求,我们进入过渡期,在新能源车动力发展轴线上,最左端为纯燃料发动机驱动车,最右端为纯电机驱动车,从左至右分别为微混、弱混、轻混、中混、重混、phev、增程、燃料电池等,从该轴线看,增程式接近纯电动机驱动车。

新能源车用驱动电机的功能与要求

下面对新能源驱动马达进行说明。新能源驱动电机的功能有以下6个要求。

第一,宽调速范围:这要求驱动电机在低速时能输出大扭矩(例如从零加速到100公里),高速巡航时必须具有恒功率输出特性,第二,高密度轻量化:电机重量必须轻,体积也不能过大要保证新能源汽车的安装空间和整车的重量限制,给电池让路,第三,高效率,是为了保障其续航里程。

第四,能量反馈可以在车辆减速、制动过程中回收部分动能,从而提高车辆续航里程和能量利用率电气系统和控制系统必须符合车辆安全性能的规定和标准,第六,低成本,以我个人的经验,10年前驱动电机+控制器需要几万,现在只需要6000。

具体看新能源车用驱动系统对电机的技术指标要求:1、电机基速以下输出大扭矩,需超负荷4~5倍,适应车辆启动、加速、负荷爬坡、频繁起立停机等复杂情况。2、基本速度以上的恒功率运行适应最高车速。

这是因为,当电机提高速度时,它可以保持功率不变,但扭矩降低,不能高速超车。你怎么解决这个问题。可以增加电压,从320V增加到800V,可以提高其转换转速,由此可以增加高速状态下的转矩。

其次,在引入特斯拉的例子中,在800A和385Vdc下,特斯拉可实现420Nm和200Kw以上的输出,在高速下16000rpm附近的效率为92-93%,与国内车辆相比,在高速续航方面具有显著的优势。

要达到这样的效果,实现高功率高扭矩输出的最主要策略就是提高最大电流,所以引入碳化硅这样的大电流功率器件的支持需要两个重要的技术手段。第二,如果采用0.25mm的薄硅钢片,则越薄的片涡电流损失越低,有利于效率的提高。另外,采用6极设计,降低铁消耗是提高高速区间效率的关键。

电机面临的挑战和应对措施

下图是电机的主要分类,最大的种类是直流和交流的划分,直流主要用于大型车,而交流电机主要分为同步和异步电机,其中同步分为永磁电机、磁阻电机和绕线转子电机。

图片来源:上海大学教授、教授伟、电驱动新能源中心负责人罗建演讲资料。

目前,行业主要使用的异步电机、磁阻电机、永磁电机,这类电机定子的基本结构相同,都是绕组线圈。定子趋势,已成为业界共识,它是一条“扁线”。这是因为平线电机槽满率高,端部整齐无包扎,散热性好,机械化容易。

目前,扁线电机的技术要求是“缩短端部”。下图左至右应缩短扁线马达的端部。

图片来源:上海大学教授、教授伟、电驱动新能源中心负责人罗建演讲资料。

我们目前的研究集中在扁线电机的平台化,如何使扁线电机能够基于同一平台进行不同的功率转换,但同时保证了定子绕组的简单,简化了加工程序,这也是近年来定子研究的着力点。

在转子侧,以永磁铁电机为例,永磁铁同步电动机转子分为表面式永磁铁转子和内置式永磁铁转子,前者多用于直流无刷,方波电流;后者为内置电弧、内置一字、内置V字。转子对提高电磁性能起着决定性的作用。

以特斯拉为例,Tesla Model3的转子为单V结构,采用两对辅助槽。大辅助槽布置在V形钢槽-表面桥上,小辅助槽布置在极中心附近。

座椅转子、交直轴磁路基本对称,无凸极效应和磁阻力矩;交直轴磁路具有等效气隙大、电枢反应小、接近直流电机的特性。

在内置式转子架构上,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;磁阻力矩可提高电机功率密度和过载能力,便于弱磁扩散,扩大电机恒功率运行范围。交轴磁路的等效气隙小,电枢反应强烈。内置式力矩脉动大于表贴转子。

关于永磁电机,存在永磁不能调节,高速反电势高,必须用弱磁限制这个的问题。弱磁控制损耗电流,会降低效率,贴转子Id=0,低速铜压低,效率最高,高速弱磁困难。内置转子凸度强,高速弱磁比较容易。

此时,纯磁阻电机由于没有永磁体,电感大,功率因数低,但利润成本低,没有永磁体材料。

进一步发展的方向主要是加快速度,提高功率密度和扭矩密度。高速化的话,铁损失成为主要的问题,2万转以上座位式成为主要的解决方法。

另一种方案是直接提高扭矩密度,而不是高速。这也是学校机构的研究方向。横磁电机、轴磁电机、外转子电机、双转子电机……一个轴磁场电机是槽无定子角色,后来发展成为YASA电机。此外,无槽铁芯电机无耗铁,保证了高速效率。

最后是关于永磁不可调和的问题,这也是研究的主要方向。永磁在高速下会出现反电位过高的问题,但由于弱磁而减弱的话,会有电流损耗,功率因数会变低,所以能否调整。

一个解决方案是转子如果有线圈就可以像发电机那样调整电流,但是有线圈的话结构会变得复杂,但是把调磁线圈放在定子上,让这个线圈不再占有电力,也是永磁电机面临的挑战和技术发展方向。

(上述来自于上海大学教授、校长、新能源电气驱动中心主任罗建2022年12月7-8日盖世汽车主办的第三届汽车电气驱动及关键技术大会2022上发表的“新能源车用电机趋势”基调演讲。)

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