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[干货] | 比亚迪杨广明:比亚迪电驱动总成技术解析

 Lakeman64 2019-01-22

本文来源:NE时代,作者:杨广明


引言:本文为励展博览集团及NE时代于4月24日联合举办的“AWC 2018新能源汽车暨三电系统技术论坛演讲嘉宾的现场实录,未经嘉宾严格审核,仅供参考!

各位专家,各位同行上午好!我是来自于比亚迪公司第十四事业部,简单介绍一下第十四事业部,我们部门主要是做新能源电动汽车零部件的,主要有电喷工厂、电机工厂、电控工厂、总成工厂、电源工厂、电动汽车研究所和电力科学研究院,今天我讲的电驱动三合一产品就是来自电控、电机和总成三个工厂历时两年共同精心打造的一款高度集成的电驱动产品。今天借此机会和各位专家共同分享一下我们电驱动三合一产品研发经验和比亚迪对电驱动产品未来几年的一些思考。

   

传统新能源电动汽车电驱动产品的动力驱动系统是将电机、减速器和电机控制器分开设计的,这种设计思路也符合十年前国内技术应用水平,每一家零部件厂将自己的产品做好,主机厂根据整车的动力需求,选出适合自己产品来配套使用。近几年随着国家新能源汽车政策的调整和新能源汽车补贴的退坡,怎么样把成本做低,性能和品质做得更好,是摆在我们面前的一个难题。在2016年的下半年,我们开始思索下一步电机、电控和减速器往哪一个方面去走?当时经过多方面的考虑,最后我们决定要把电机、减速器、电机控制器作为一体设计,称为三合一动力总成,同时将DC/DC、OBC和高压配电集成作为另外一个三合一充配电总成,这个也很适合新能源汽车整车布局,前面放一个三合一动力总成,后面放一个也很方便,特别适合整车四驱的布局。


目前三合一电驱动有很多的优点,大家可以看到主要几个方面,第一个是高度集成化,结构紧凑,重量轻,集成以后电驱动体积比较小,很方便布局;第二是高转速,低摩擦设计,电机和控制器共用一套水冷却系统,散热IGBT损耗小,系统效区宽,平均效率提高了。经过一年多的开发,我们主要开发四个平台,分别适用车辆重量范围1T~2.7T,峰值功率40KW70KW120KW180KW峰值扭矩120NM180NM280NM380NM足了A00A0AB等轿车动力加速和爬坡的需求电机转速14000rpm,传动比可以根据不同的车辆进行调节,EMC设计符合三级,控制系统符合功能安全标准ISO26262 CD要求EGAS三级扭矩安全构架模式要求,也可以根据客户要求进行定制,具体的参数大家可以看一下这个图。


比亚迪电驱动解决方案,在设计阶段充分应用虚拟设计理念进行正向开发,从产品概念阶段,产品方案及设计、产品测试验证和产品量产等整个产品研究周期进行数字探索,建立数字样机,提高研发效率与品质,进行精益研发。有关高体积率密度方面,目前量产的车辆控制器达到18KW/L,最新研发的双面水冷硅基IGBT样机控制器功率体积密度可达35KW/L,新一代SIC基控制器功率密度可达到45KW/L,而且技术已经实现。在高EMC等级方面,我们最好样机能做到等级是CLASS 5,一般控制器做到等级CLASS 3,是符合车辆对EMC要求,如果硬要控制器达到等级CLASS 5,设计成本和体积会增加些,倒不如整车稍微改动及接地处理来得更经济些。


在功率密度提升方面,我们从以下几个方面来提升,首先选用国际大厂性能更好、更优PF 式IGBT模块,同时升级比亚迪内部IGBT芯片,降低通态损耗和开关损耗、提升芯片的雪崩耐量,改进模块封装尺寸,减少杂散电感降低反击电压,进一步提升芯片的过流能力和降低损耗,其次通过软件控制算法采用优化的空间矢量脉宽调制方法,减少开关次数,提高电压输出利用率,提升系统的功率密度。


我们在产品开发过程中,完善了软件开发体系V模型开发流程,应用相关专业软件,在电机控制系统仿真方面上主要是利用离线仿真和在线仿真工具,如模型在环MIL,软件在环SIL和硬件在环仿真平台HIL和基于模型开发代码自动生成等技术,完成了从传统开发的代码模式到基于模型开发模式,进行静态测试和动态测试,从单元测试到集成测试,全面保障软件开发的正确性,提升软件开发质量,同时通过了国际汽车软件开发过程成熟度模型评估ASPICE,达到三级成熟度,具备了完备的技术管理和文档管理标准化开发能力。


我们通过对先进电机控制技术的研究与应用,增强电机系统驱动抗干扰能力,提高系统综合效率,加快系统响应速度,提升车的性能及整车应用舒适性。我们三合一产品在温度变化,转速波动,电压波动,转矩波动下控制系统能安全可靠稳定地运行。基速以下采用单位电流最大扭矩比的MTPA控制方法并结合高速弱磁单位电压最大扭矩比控制方法,保证系统最高扭矩、功率和效率输出。 


控制器对位置传感器偏差,高温磁场磁化偏差,电流传感器偏差,电压传感器偏差等具有一定的自适应能力,来实现高鲁棒性。在功能安全方面实现了基于功能安全开发和基于EGAS架构实现三级扭矩安全设计理念,EGAS是奔驰、宝马、奥迪和大众几家大公司联合推出的三级扭矩安全设计理念,我们部门设计腾势车型用的电机控制器也是采用的EGAS安全设计,可靠的安全路径关断机制,精确的热模型获得准确温度进行限制和保护。功能安全设计方面整车厂都有这个要求,随着器件成本的降低,我们在满足功能安全实现的过程中,费用也会控制的越来越好。


通过一系列的技术优化,我们电机控制器的效率最高可以达到98%以上,驱动总成系统的综合效率可达88%。我们应用了脉宽调制优化技术,通过将不同脉宽调制技术进行组合调整,形成多模式脉宽调制方式,有效降低单一脉宽调制的载波高耗能高的影响。根据电机运行的不同工况,采用多维度的载波调整方式,有目的降低开关频率。我们还有智能故障诊断及容错,通过故障的细分,更多的内部侦测技术,实现精准的故障处理和定位,提高故障处理,基于故障智能诊断和预判,以及提高带故障运行的能力,降低故障对客户的影响。我们通过降额与保护策略、转矩诊断与安全策略、系统诊断及处理策略、特殊应用、跛行控制,动力总成相关的控制技术手段来保证系统的平稳。我们从硬件设计和软件设计等角度来保证产品的安全。

 

在传动系统设计仿真上,我们主要在这几个方面,一个是轻量化、可靠性、NVH、效率方面来进行着手。采用了高强度设计,啮合斑设计、高效率设计、高可靠性设计等方面来进行设计,我们采用整体设计思路,保证无论在高速还是低速等工况下面效率是最高的。我们做了传动系统设计仿真和测试,运用设计、仿真、测试的闭环控制方式,掌握总成系统NVH设计开发能力,缩短开发周期,降低开发成本,NVH设计方面也是一个难点,通过几年的研究,我们现在在行业内也是做的非常有竞争力,高速带载噪音小于72dB。对系统进行加载分析,验证零件强度和寿命,这个是轴承受力示意图,来保证整个系统的寿命。这个(图片)三合一总成NVH测试,根据NVH测试结果,识别不同激励阶次的噪声,重点进行优化,这个噪音谱图也代表了我们公司在电驱动方面的最高水平。


70KW三合一平台电机 电控 减速器的效率,我们做了一个实验,实验数据最高效率91.9%,这个是台架测试的数据,仿真数据最高效率达到91.5%,NEDC平均效率达到87%,有的客户来我们这里看,都惊讶可以做得这么高。这个是电机系统设计仿真示意图,整个电机最高效率达到97%,NEDC电机综合效率达到94%。我们通过降低铜损、有效抑制铁耗,减少机械摩擦损耗,同时提高交轴电感来提高凸极率以增加磁阻转矩等几个方面来改善电机本体,使效率得以提升。

    

目前电机转速我们做到了第三代,第一代6000转,第二12000转,第三代是15000转。两年前我们研究了20000转的电机,整体功能性还是不错的,但是受限于轴承寿命和噪音等方面的因素,目前20000转还没有实现批产。我认为未来高转速是发展方向,电机转速提高至15000转的话,重量下降35%,功率密度提升40%,电机成本下降40%。我们通过电磁场设计、旋转件设计、冷却设计来确保电机的整个性能。

    

这个是三合一动力总成重要指标对比,很多企业都逐渐推出了自己的三合一动力总,三合一有很大的优势就是成本的降低。我们公司对成本进行了分析之后,得出的结论整个成本是目前的几乎40%,体积降低30%,重量指标降幅25%等等。


最后总结一下,电驱动系统主要有以下几点发展趋势:一、我认为电驱动系统向电机 控制器 减速器集成化方向发展,集成化对整车厂来说很方便,很容易选到合适的电驱动系统,特别是售后方面,一旦出了什么问题,直接找到总成厂家,而不需要找到其他的部件厂家扯皮。二、是电机绕组向扁铜线、功率模块向双面水冷、碳化硅和氮化镓方向发展,通过优化散热设计可以提升输出能力,节约了芯片用量,相当于成本降低了,整个散热器增加不到100块,这也是一个发展趋势。现在有好几家国际公司走双面水冷的方案,我们下一代也会走双面水冷提升功率密度,几个功率模块系统集成在一起会非常方便设计,体积会更小。在去年设计一款碳化硅的产品,通过仿真和实车15工况测试,续航里程提升了8%,我认为在2020年前后会上碳化硅产品,可以提升车的续航里程,在2025年或者更早些时间,碳化硅技术会大批量使用,也不排除2019年某一款车上面会上一个碳化硅的产品。三、我们一直认为电驱动方面,有五高一低:高转速、高电压、高集成、高性能、高品质、低成本。高转速也是提高性能的方向,高电压我们公司做到了700V平台电压,高电压受制于充电,现在充电桩电压比较低,一般充电桩是200到500,大巴的充电柜可以达到500~750V,未来提升整车性能、续驶里程和提升充电速度一定要把高电压做上去,最近欧洲车厂做到了800V平台电压,采用新的封装SKIN 1200V模块技术可以用到上限在920V,我看到一些国际大厂确实规划2020年最高电压做到920V。为了把产品成本做低,性能做好,怎么办?就是集成,早几年产品不敢去集成,因为技术不成熟,现在技术成熟了,现在可以做高度集成化。集成后性能也要提升,整个品质也需要提高。前面的这些方法都是为了低成本,高性能,提高性价比,把我们的成本降低。最后是系统设计架构和功能安全向ISO26262标准发展,软件架构向AUTOSAR标准规范发展,现在很多的厂家包括我们的公司都在提出这个要求,来保证我们整个产品的竞争力提升。


这是我们对电驱动三合一总成产品领域的理解,跟大家分享一下,我们事业部的发展理念就是开放、合作、创新、共享,我们希望跟更多的企业来合作,用我们在电控方面十几年的经验跟大家来进行更好的合作,创造出更好的产品来打动消费者。谢谢大家!



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