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新能源汽車驅動電機發展趨勢的特別解讀,聽聽看大洋電機怎麼說

近年來國內外電動汽車技術發展非常快, 而且國家對於新能源車的政策支持非常多, 所以整個行業是朝陽產業, 前景被大家看好。

目前國際上的眾多車企都推出純電動汽車、以及傳統車型的混動版, 這樣來看, 各個車廠對於新能源汽車也是非常看好。

新能源汽車驅動電機作為新能源汽車上的三大件, 無論從技術還是從生產上面, 都有很多是需要各位同人亟待解決的問題。

比如:新能源汽車驅動電機的特點, 新能源汽車驅動電機的現狀, 新能源汽車驅動電機的發展趨勢。

一、 新能源汽車驅動電機特點

首先我們先來看下新能源汽車驅動電機的特點。 第一個特點就是整車佈置空間有限, 尤其是乘用車。

所以對於電機系統(電機和控制器)的大小尺寸有非常嚴格的要求——結構緊湊, 尺寸小。 如果要達到上述目的, 必須提高電機系統的功率密度和轉矩密度, 所以, 結構緊湊、尺寸小、功率密度高、轉矩密度高是新能源汽車電機的第一個特點。

第二個特點是, 整車運行環境惡劣, 比如發動機艙的溫度、整車的振動、電池電壓劇烈的波動, 這些都是新能源汽車電機面臨的惡劣環境。

作為整車, 必須考慮到人身安全。 因此, 以上兩個特點使得對新能源汽車可靠性提出更高要求。 較之傳統的工業電機和家用電器的電機,

新能源汽車電機的可靠性要求更高。

由於整車上電池容量有限, 又要盡可能提高續航里程, 這就要求整車的電機系統效率要高, 高效區必須廣, 這樣才能提高整車的續航里程。 電機系統的重量必須輕, 這也是提高整車續航的一個方法。

因此, 新能源汽車電機的第三個特點就是, 效率高、高效區廣、重量輕。

無論是傳統車還是新能源車, 消費者追求的指標就是舒適性。 因此第四個特點就是低噪音和低振動, 噪音、振動對於整車的NVH有巨大影響, 因此在噪音和振動方面是新能源車電機的重要指標之一。

PPT上面顯示的是新能源車驅動電機的性能要求, 在低速時, 需要低速大扭矩輸出;在高速時需要保持恒功率。 低速大扭矩可以滿足整車的啟動,

例如坡起、加速和複合爬坡。

高速恒功率需要能夠滿足整車的最高車速要求, 以及在高速時的超車。 所以, 歸納總結新能源車驅動電機的幾個特點就是, 結構緊湊、尺寸小、功率密度、轉矩密度高;可靠性高;效率高、高效區廣、重量輕;低噪音、低振動。

二、新能源汽車驅動電機現狀

第二個議題是新能源車驅動電機現狀。 目前新能源汽車驅動電機主要有3類, 永磁同步電機、非同步電機、開關磁阻電機。 這是目前應用最廣的三類。 下面介紹一下它們的優缺點。

永磁同步電機特點:

優點:1、效率高, 且高效區寬;2、轉矩密度高;3、電機尺寸小, 重量輕;4、調速範圍寬。

缺點:電機結構複雜, 尤其是轉子結構。 第二個缺點是會飽和非線性,

控制複雜。

非同步電機特點:

優點:控制技術成熟、電機成本低, 結構相對前者更簡單。

缺點:高效區窄, 最高效率未必比永磁同步電機低, 但是高效區沒有它那麼寬。 另外, 非同步電機的相同的性能參數, 非同步電機的尺寸較大, 重量較重。

開關磁阻電機特點:

優點:電機結構簡單可靠、系統成本低

缺點:電機噪音大, 而且和同步電機的共同缺點是飽和非線性, 控制複雜。 第三個缺點是轉矩密度不高。

永磁同步電機和非同步電機是使用最多的。 開關磁阻電機相對使用較少。

三、新能源汽車驅動電機發展趨勢

驅動電機作為新能源汽車上的關鍵零部件, 技術還有待提高, 產品品質有待升級, 行業標準有待完善, 整個行業處於產業化起步階段,

在關鍵技術上與發達國家還有差距。 所以, 電動汽車行業的健康快速發展還需要政策指導和市場調節。

我們這次總結的這些新能源汽車的發展趨勢是我們自己的一些想法, 可能和其他同行的想法存在差異, 這次我們僅僅是作為交流。

我們認為新能源汽車驅動電機有7個趨勢:電機永磁化、控制系統數位化、系統高度集成、可靠性要求不斷提升、電磁相容、電機振動與雜訊、系統集成設計模擬。

由於永磁同步電機的優點是效率高, 且高效區寬、轉矩密度高、電機尺寸小, 重量輕、調速範圍寬。 因此我們認為永磁同步電機是最合適新能源汽車的電機類型。

目前還有一些陸續推出的低成本專用晶片, 使得我們的電機驅動的電路會非常小型化、集成化。

控制系統數位化,不僅包括硬體,也包括軟體。從軟體來說,主要分為電機控制這塊。電機控制演算法將來的重點方向是高性能的轉矩轉速控制,和高性能的線上辨識。

軟體的第二個方面就是,針對新能源汽車驅動應用的電機控制策略。包括滿足整車各種工況的轉速轉矩控制:啟動發動機、電機驅動、制動能量回收等。

第二個就是可靠的故障監控和系統保護。第三個是,自動適應惡劣工況的變化,比如電機、控制器溫度的變化、車載電池電壓較大的波動。這些都是需要在軟體裡面考慮好,並且自動地匹配它們。

控制系統數位化軟體方面,我們認為還需要完善的控制軟體可靠性測試、可靠、科學的軟體架構。

系統集成方面,主要有電機與發動機、變速箱的集成,以及電力電子器件的集成。

電力電子器件集成主要包括ISG控制器 驅動電機控制器 DC-DC的集成。這樣做的好處是,通過解決不同工藝電路之間的組合和高壓隔離等問題,改進散熱設計,能夠有效減少電力電子器件的體積及重量。

對於可靠性,我們認為需要從三個方面去考量。第一個是嚴格的開發流程控制,可以從TS16949標準來規範。第二個是要有高開發標準,目前汽車行業的可靠性標準是ISO26262。第三個方面是需要有嚴苛的可靠性、耐久性試驗,這需要和整車廠合作,提高整車和零部件的可靠性。

電磁相容是電機系統必須考慮的重要方面,首先,電機的驅動需要有高電壓、大電流、快速電力電子器件開關技術,這是對於整車電磁相容方面的源頭。第二,整車的金屬車身易傳導電磁雜訊。第三,整車電子控制單元較多,且距離近。最後,整車影響因素眾多,難以模擬。

所以電磁相容需要經過長時間的反復試驗,積累經驗,逐步完善濾波與遮罩設計。另外還需要,從整車集成、零部件多層次多領域分析解決。

關於電機振動與雜訊有以下幾大影響。電機的振動與雜訊對整車NVH造成直接影響;電機系統結構緊湊複雜,增加了電機系統結構固有模態分析的難度;電力電子器件的開關頻率對於雜訊的影響;最後一點就是電機的轉矩波動,徑向力對振動會造成一定的影響。

最後,我們認為,要提高電機系統的性能,需要從多個層面,多個領域來優化。

這裡面,主要包括從前期的設計階段的電機振動和雜訊模擬,系統熱能管理及熱性能模擬、系統控制策略模擬、電機本體與驅動電路耦合電磁模擬、電機概念設計與結構模擬以及電機結構機械性能分析。

通過不斷加強前期的系統設計,我們認為,對於後期產品的性能有非常大的説明。

提問環節:

1. 如何確保電機能滿足整車的振動要求?對電機進行振動測試,哪些頻率段需要考慮?其原因是什麼?

我們認為,電機的結構,電機在車上的安裝位置,車上其他零部件的安裝,都會對整車的振動產生影響。對於不同的車都需要有單獨的分析。這是個非常系統的問題,需要從整車、零部件等多個系統、多個層面來考慮。

2. 大洋電機目前的研發成果?在新能源電機方面的產品開發及批量生產情況如何?大洋電機收購佩特來對新能源汽車電機業務有哪些幫助?

對於電機系統的核心零部件,比如永磁材料、電力電子器件的封裝,大洋電機都有完全自主的智慧財產權。對於電機系統的核心技術,大洋電機也都用於自主智慧財產權。目前大洋電機在新能源汽車電機方面,無論是技術、產能、市占率,都是在國內處於領先地位。

關於新能源汽車電機批量生產的情況,由於我司是一家上市企業,新能源汽車電機的生產情況在公司發佈的公告上都會有詳細描述。

我們有三個板塊的業務,主要包括傳統家電業務,新能源汽車電機業務,還有車用旋轉電器業務。大洋電機的產品涵蓋乘用車、商用車、工程機械、無軌電車、物流車。收購佩特來屬於車用旋轉電器業務,對於提升大洋電機的整體業務是非常有幫助的。

3. 電機系統雜訊如何解決?新能源電機NVH性能如何控制?

包括電磁場的設計,控制方面的策略,對於NVH都會有説明。

4. 新能源汽車驅動電機對潤滑脂的要求是怎麼樣的?對電機潤滑脂日後的維護保養要求是怎樣的?

目前來說,新能源汽車驅動電機對潤滑脂要求是:不流失、耐高低溫。在南方夏天很長,溫度高。北方,冬天的溫度比較低。 第三個要求是能夠耐振動。

5. 新能源汽車電機用的馬達錫鋼片現階段產能如何,技術要求能否介紹一下;新能源汽車電機用馬達錫鋼片,國內傳統電機錫鋼片供應商的切入點在哪裡?

從電機系統來說,對錫鋼片的要求是,導磁率高、滲磁高、損耗低、機械強度好。

6. 開關磁阻電機目前的成熟度?這個技術是不是可以擺脫稀土?功率密度目前是什麼水準,振動問題是否已經解決?

開關磁阻電機從電機本身和控制來說非常成熟。但是開關磁阻電機主要依靠磁阻的變化產生力矩,那麼磁阻的變化會導致磁場的變化,電機轉矩的產生靠磁場和電場的相互作用產生,那麼磁場的變化必然導致轉矩波動,轉矩波動會導致電機的振動以及雜訊。

所以開關磁阻電機在雜訊和振動方面的問題是天生存在的。雖然目前有所改善,不過這方面性能還是不如永磁電機和非同步電機。開關磁阻電機的功率密度比較低,比非同步電機還要低。

7. 新能源汽車電機的核心指標要求和關鍵開發難點是什麼?

核心指標主要有以下幾方面:效率、功率密度、轉矩密度。其中效率包括最高效率以及高效區,可能某一類電機在最高效率很高,但是在整個運行範圍內要達到高效區廣是有一定難度的。

8. 目前電機電控的整體效率能做到多少?高效區能有多寬?

對於效率來說,因為電機的性能指標不一樣,比如說功率,電壓等級,還有轉速。這些性能指標不同,所能達到的最高效率都是不同的。所以整體效率最終能夠做到多少並沒有統一答案。高效區方面,我們認為電機整個工作區間的85%以上,都能實現85%的效率。

9. 新能源電機的工作環境和要求有哪些?新能源電機對其中的軸承配件有什麼具體要求?

新能源電機的工作環境惡劣,工作環境跨度較大,北方冬天環境溫度零下幾十度,混合動力車的發動機艙裡,電機和發動機安裝在一起,工作時發動機艙有上百度,所以跨度大。第二個工作的特點是,整車在不同路況下跑,因此振動很劇烈,電磁電壓波動非常大。

軸承的要求是,抗振動,和耐溫度衝擊。對於不同的車型,要求也不同。

10. 關於所有電動汽車所使用的電機都離不開永久磁鐵,磁鐵的性能好壞離不開磁鐵的主要成分,請問目前主流電機是用四氧化三鐵,如鐵硼還是其他成分的磁鐵?

主流材料還是釹鐵硼,當然,全球都在尋找價格更低,產量更大,性能更好的成分來替代現有的稀土。

11. 如何看待特斯拉電機採用交流感應電機而不是永磁同步電機?

從我們從電機行業來看,非同步電機和永磁同步電機比較的話,對於相同的技術要求,非同步電機的最高效率點可能和永磁同步電機不相上下,但是它的高效區沒有永磁同步電機這麼寬。

而且,特斯拉雖然目前比較火,但是在我們看來,其成功的點更多的是在行銷策略上,而不是產品比國內外傳統的廠商製造的電動汽車有多大的技術優勢。

12. 很多做電機的都比較關心高溫退磁。

從我們做永磁同步電機的經驗來看,該現象可以通過優化設計來避免的。我們國家的無軌電車上用永磁電機還沒發生過退磁現象。目前無軌電車最高的執行時間已經超過50年了。

13. 國內和國外電機的差距在哪?

電機行業目前來說有100多年歷史,國內外的設計水準差不了多少,而是差在可靠性。

控制系統數位化,不僅包括硬體,也包括軟體。從軟體來說,主要分為電機控制這塊。電機控制演算法將來的重點方向是高性能的轉矩轉速控制,和高性能的線上辨識。

軟體的第二個方面就是,針對新能源汽車驅動應用的電機控制策略。包括滿足整車各種工況的轉速轉矩控制:啟動發動機、電機驅動、制動能量回收等。

第二個就是可靠的故障監控和系統保護。第三個是,自動適應惡劣工況的變化,比如電機、控制器溫度的變化、車載電池電壓較大的波動。這些都是需要在軟體裡面考慮好,並且自動地匹配它們。

控制系統數位化軟體方面,我們認為還需要完善的控制軟體可靠性測試、可靠、科學的軟體架構。

系統集成方面,主要有電機與發動機、變速箱的集成,以及電力電子器件的集成。

電力電子器件集成主要包括ISG控制器 驅動電機控制器 DC-DC的集成。這樣做的好處是,通過解決不同工藝電路之間的組合和高壓隔離等問題,改進散熱設計,能夠有效減少電力電子器件的體積及重量。

對於可靠性,我們認為需要從三個方面去考量。第一個是嚴格的開發流程控制,可以從TS16949標準來規範。第二個是要有高開發標準,目前汽車行業的可靠性標準是ISO26262。第三個方面是需要有嚴苛的可靠性、耐久性試驗,這需要和整車廠合作,提高整車和零部件的可靠性。

電磁相容是電機系統必須考慮的重要方面,首先,電機的驅動需要有高電壓、大電流、快速電力電子器件開關技術,這是對於整車電磁相容方面的源頭。第二,整車的金屬車身易傳導電磁雜訊。第三,整車電子控制單元較多,且距離近。最後,整車影響因素眾多,難以模擬。

所以電磁相容需要經過長時間的反復試驗,積累經驗,逐步完善濾波與遮罩設計。另外還需要,從整車集成、零部件多層次多領域分析解決。

關於電機振動與雜訊有以下幾大影響。電機的振動與雜訊對整車NVH造成直接影響;電機系統結構緊湊複雜,增加了電機系統結構固有模態分析的難度;電力電子器件的開關頻率對於雜訊的影響;最後一點就是電機的轉矩波動,徑向力對振動會造成一定的影響。

最後,我們認為,要提高電機系統的性能,需要從多個層面,多個領域來優化。

這裡面,主要包括從前期的設計階段的電機振動和雜訊模擬,系統熱能管理及熱性能模擬、系統控制策略模擬、電機本體與驅動電路耦合電磁模擬、電機概念設計與結構模擬以及電機結構機械性能分析。

通過不斷加強前期的系統設計,我們認為,對於後期產品的性能有非常大的説明。

提問環節:

1. 如何確保電機能滿足整車的振動要求?對電機進行振動測試,哪些頻率段需要考慮?其原因是什麼?

我們認為,電機的結構,電機在車上的安裝位置,車上其他零部件的安裝,都會對整車的振動產生影響。對於不同的車都需要有單獨的分析。這是個非常系統的問題,需要從整車、零部件等多個系統、多個層面來考慮。

2. 大洋電機目前的研發成果?在新能源電機方面的產品開發及批量生產情況如何?大洋電機收購佩特來對新能源汽車電機業務有哪些幫助?

對於電機系統的核心零部件,比如永磁材料、電力電子器件的封裝,大洋電機都有完全自主的智慧財產權。對於電機系統的核心技術,大洋電機也都用於自主智慧財產權。目前大洋電機在新能源汽車電機方面,無論是技術、產能、市占率,都是在國內處於領先地位。

關於新能源汽車電機批量生產的情況,由於我司是一家上市企業,新能源汽車電機的生產情況在公司發佈的公告上都會有詳細描述。

我們有三個板塊的業務,主要包括傳統家電業務,新能源汽車電機業務,還有車用旋轉電器業務。大洋電機的產品涵蓋乘用車、商用車、工程機械、無軌電車、物流車。收購佩特來屬於車用旋轉電器業務,對於提升大洋電機的整體業務是非常有幫助的。

3. 電機系統雜訊如何解決?新能源電機NVH性能如何控制?

包括電磁場的設計,控制方面的策略,對於NVH都會有説明。

4. 新能源汽車驅動電機對潤滑脂的要求是怎麼樣的?對電機潤滑脂日後的維護保養要求是怎樣的?

目前來說,新能源汽車驅動電機對潤滑脂要求是:不流失、耐高低溫。在南方夏天很長,溫度高。北方,冬天的溫度比較低。 第三個要求是能夠耐振動。

5. 新能源汽車電機用的馬達錫鋼片現階段產能如何,技術要求能否介紹一下;新能源汽車電機用馬達錫鋼片,國內傳統電機錫鋼片供應商的切入點在哪裡?

從電機系統來說,對錫鋼片的要求是,導磁率高、滲磁高、損耗低、機械強度好。

6. 開關磁阻電機目前的成熟度?這個技術是不是可以擺脫稀土?功率密度目前是什麼水準,振動問題是否已經解決?

開關磁阻電機從電機本身和控制來說非常成熟。但是開關磁阻電機主要依靠磁阻的變化產生力矩,那麼磁阻的變化會導致磁場的變化,電機轉矩的產生靠磁場和電場的相互作用產生,那麼磁場的變化必然導致轉矩波動,轉矩波動會導致電機的振動以及雜訊。

所以開關磁阻電機在雜訊和振動方面的問題是天生存在的。雖然目前有所改善,不過這方面性能還是不如永磁電機和非同步電機。開關磁阻電機的功率密度比較低,比非同步電機還要低。

7. 新能源汽車電機的核心指標要求和關鍵開發難點是什麼?

核心指標主要有以下幾方面:效率、功率密度、轉矩密度。其中效率包括最高效率以及高效區,可能某一類電機在最高效率很高,但是在整個運行範圍內要達到高效區廣是有一定難度的。

8. 目前電機電控的整體效率能做到多少?高效區能有多寬?

對於效率來說,因為電機的性能指標不一樣,比如說功率,電壓等級,還有轉速。這些性能指標不同,所能達到的最高效率都是不同的。所以整體效率最終能夠做到多少並沒有統一答案。高效區方面,我們認為電機整個工作區間的85%以上,都能實現85%的效率。

9. 新能源電機的工作環境和要求有哪些?新能源電機對其中的軸承配件有什麼具體要求?

新能源電機的工作環境惡劣,工作環境跨度較大,北方冬天環境溫度零下幾十度,混合動力車的發動機艙裡,電機和發動機安裝在一起,工作時發動機艙有上百度,所以跨度大。第二個工作的特點是,整車在不同路況下跑,因此振動很劇烈,電磁電壓波動非常大。

軸承的要求是,抗振動,和耐溫度衝擊。對於不同的車型,要求也不同。

10. 關於所有電動汽車所使用的電機都離不開永久磁鐵,磁鐵的性能好壞離不開磁鐵的主要成分,請問目前主流電機是用四氧化三鐵,如鐵硼還是其他成分的磁鐵?

主流材料還是釹鐵硼,當然,全球都在尋找價格更低,產量更大,性能更好的成分來替代現有的稀土。

11. 如何看待特斯拉電機採用交流感應電機而不是永磁同步電機?

從我們從電機行業來看,非同步電機和永磁同步電機比較的話,對於相同的技術要求,非同步電機的最高效率點可能和永磁同步電機不相上下,但是它的高效區沒有永磁同步電機這麼寬。

而且,特斯拉雖然目前比較火,但是在我們看來,其成功的點更多的是在行銷策略上,而不是產品比國內外傳統的廠商製造的電動汽車有多大的技術優勢。

12. 很多做電機的都比較關心高溫退磁。

從我們做永磁同步電機的經驗來看,該現象可以通過優化設計來避免的。我們國家的無軌電車上用永磁電機還沒發生過退磁現象。目前無軌電車最高的執行時間已經超過50年了。

13. 國內和國外電機的差距在哪?

電機行業目前來說有100多年歷史,國內外的設計水準差不了多少,而是差在可靠性。

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