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2021-06-29
感谢主办方的邀请，也非常高兴能来到这个会场和各位同行一起交流一下我 们公司在开发电驱动系统的一些心得体会。 现在整个新能源市场电驱动行业发展很快，我们在不断地追求整个系统怎么做到最优。 先说一下今天为什么要讨论这个话题，为什么要做电驱动系统的全局优化。新能源汽车发展有超过10年的历史，早几年还没有这么多电动车的时候，大家可以看到我们电驱动还是独立的部件，不是三合一。那个时候我们是解决有没有的问题，好比我司2017年推出三合一的时候，可以说我们是市场上第一家推出这个产品，到了2018、2019年，有100、200多家供应商都宣称他们可以做这个产品。现在就并不是解决有没有的问题，而是怎么做到人无我有之后的人有我优，怎么把这个产品做好。我们在这个市场要做一个深耕，希望能够推动电驱动系统进入一个更加优化的时代。 今天我举三个例子，希望和大家分享一下我们公司在这个方面的经验。第一，“心强体健”，关于我们的模块。功率模块怎么影响到电驱动系统，怎么用模块去优化电驱动系统的表现。第二，“脚痛医头”，关于怎么通过系统来解决零部件问题，就是讨论一下谐波注入，通过逆变器解决电机噪音问题。第三，“骨肉相连”，我们现在讨论软件定义汽车很火，大家可能会认为有了软件是不是就可以把硬件做得非常标准化，我们从同时拥有软件和硬件开发能力的一家公司的角度，来和大家分享一下关于软硬件是怎么做好融合的。 第一，我们看一个宏观的视角，电驱动系统从整车到电驱动级别或者逆变器级别到功率模块到芯片。从整车级别的需求，无非是续驶里程、加速性、寿命、空间，这些都是从整车级别的需求。我们可以把它分解到电驱动级别、功率模块级别、芯片级别，如何满足整车的要求。同时我们可以看到满足这些要求的时候我们的挑战主要也在这些地方，这两天有很多话题，关于800V、碳化硅，达到的目的就是为了做到功率很高、续驶里程长、电驱动系统尽可能小，同时不可逃避的就是成本尽可能低、可靠性尽可能好，相应地也会传导到每一个级别，对应的会有一些详细的技术指标。现在整车级别的挑战已经足够大了，市场上的车子已经从过去的几千辆、几万辆到今年做到200万辆新能源的盘子，整车厂的需求提出了非常多的挑战，我们不能再像过去那样通过一个逆变器尺寸的减小满足需求，需要做逆变器+模块+芯片合在一起的系统上的优化，才能满足这样的整车级别的挑战。 举两个例子。第一，电驱动系统的功率密度，我们可以看到慢慢变成了二合一、三合一，我们公司的产品100千瓦大概是45升。我们可以展望再过十年，一旦把电压升到800V，加上碳化硅、油冷这些措施以后，它会减到35升以下。我们用了20多年的时间要把整个功率密度提高5倍，这就是我们的挑战。相对应的我们看一下现在的问题在什么地方，过去我们的模块可以做得很大，相应地逆变器尺寸也很大，过去不是问题，但是随着体积从150升减到35升以后，留给逆变器的空间就不够了，模块不可能像过去那么大，2000年的时候连功率模块都不需要，可能都是分立的IGBT，这就是尺寸的问题，对功率模块来说它的尺寸需要非常紧凑的设计来满足未来功率密度的要求。另外一个问题是关于系统的方案，我们怎么配电机和电控，非常笼统地讲是大电机配小电控，小电控指的不是尺寸的小，而是电流容量小，或者是反过来小电机配大电控。我们公司产品路线走的是下面这条，想法是电机的原材料毕竟都是铜铁铝等金属，我们尽可能把机械尺寸控制住，通过电控的平台化，用一个适当的覆盖较宽广的功率范围的模块使得电控有一定程度的过剩。大家知道电子料的成本遵循摩尔定律快速下降，但是电机这块还有上涨，这么一个配合的关系希望在未来竞争当中把成本控制住。这边可以看到尺寸和布局的平衡，我们希望功率模块做得尽可能小，但是我们希望它有一定的配套关系，能够满足不同功率等级的要求。功率密度不断提高的情况下需要针对这种需求考虑一个功率模块的小型化和平台化的问题。 另外一个例子，最近非常火的碳化硅，碳化硅主要目的是提升系统效率，20年前的NEDC循环下效率83%到今天做到88%，将来我们指望通过碳化硅把效率提升到92%，这是我们的设计目标。过程当中我们通过过去的IGBT功率模块的改进，从分立器件变成功率模块，包括最近整个行业大家都在讨论的控制器上采用变频的方案，加上采用扁线电机做到88%。将来再靠采用碳化硅提升4个点到92%。我们详细看一下用碳化硅提升效率给我们带来什么。碳化硅最关键的就是它的开关损耗比较低，这是我们用碳化硅非常重要的出发点，并且开关损耗低有助于电动车在城市工况下的效率提升，甚至还会比循环效率提升得更多，这是我们最关注的采用碳化硅的好处。
采用碳化硅以后从IGBT开关速度能够提高到如上图，这样更短的时间来开关功率器件。但是对应的难点，我们的尖峰电压会相应提高，因为开关速度提高，使得叠加在电流上开关的电压会变得更高，相应的挑战，原来IGBT时一般选用750V的器件，用碳化硅可能要选900、1200V，带来成本的上升和设计的挑战。非常优化的碳化硅系统我们要降低整个系统的集成电感，过去IGBT时代我们电感设计在这里，但是现在设计成碳化硅，为了保持尖峰足够低，碳化硅设计上限有一半下降，这里展示了设置上限的变化。从我们公司产品的角度来看，我们公司在设计IGBT功率模块的时候表现大概是这样的，设计这一代碳化硅功率模块的时候要相应地把集成电感降低到原来的一半。我们还要展望未来，我们公司下一代产品目前正在开发之中，大家可以看到我们的目标是再降低一半，并且这里没有一个明确的界限，功率模块怎么样、逆变器怎么样，这边涉及到一个点，我们做的是一个系统联合优化，功率模块和逆变器之间的边界需要被打破，才有可能尽可能把集成电感降低到更低水平，满足未来更高的系统效率的提升。为了满足未来的系统效率的提高，不光是电驱动系统、模块，甚至需要到碳化硅的芯片级别，配合整个功率模块、逆变器的设计，才能把整个信号集成电感降低到我们需要的水平。 第二个问题，“脚痛医头”。今天电驱动很多问题是由于电机的转矩脉动引起的，好比起步的抖动、中高速车里面的啸叫，这样我们客户体验是不好的。因为我们是开发整个电驱动系统的，我们可以有一个更高层次的思维，电机出了问题，但是我们可以通过逆变器解决它。这套方法也不是今天第一次提出，现在我司有非常多的实战经验，也建立了整套测试流程，包括相应的设备、台架，我们已经建立流程。我们也有非常明确的疗效，在一些实战的经验当中可以看到部分油门工况下我们24阶噪声通过谐波注入，可以把峰值下降17个分贝。后面随着算力的增加还可以做更多，48阶、96阶，帮助我们解决一大部分电机噪音问题，也是一个很好的例子。 最后是“骨肉相连”。我们讨论软件和硬件的关系，也是最近比较火的一些功能创新。我们公司从事发动机管理系统有超过25年的历史，过去我们在发动机里面处理的物理量是油、空气、火，之前我从事了十多年传感器的开发工作，就是因为油、气、火的物理量不是那么容易探测。今天到了电驱动时代，电流、电感这些东西相对更容易探测，玩法非常多。这里我举两个例子。一个称之为虚拟PTC，目的是替代传统的PTC加热器。加热器本身它的功能是用来帮助电池加热，延长它的低温续驶里程。市场上大家都在讨论的一个创新功能就是把电机的线圈绕组当成加热电阻来用，让电流从这边流过去，这个功率模块和线圈绕组会产生热量，这种关于降本成本的功能提供了非常重要的客户价值——你帮助客户省了这笔钱，客户就会认可你的功能。 另外一个更火了，大家都在说800V来得很快，但是市场上的充电桩有一大部分并不兼容800V的车，我们需要有一个升压的功能，让装了800V电池的车子可以去400V充电桩上充电。市场上的方案今天我们可以看到像这个是保时捷的，是一个升压器，随着功率的升高，从1000—3000元，是一个非常大的实实在在的功率电子器件。我们做的是电机升压功能，原理就是把这个电机的线圈作为一个电感来用，通过软件算法控制把这个电压升上去，400V从这里注入，800V从这里输出。相当于逆变器倒过来用，原来的输入变成了输出，这边变成800V输出。相应地给客户省钱了，也是1000—3000元这么多。我们要讨论的是实现功能的时候大家可能认为这些都是纯软件功能，不涉及到硬件的应用。但是我们可以看到在这个背后有很多关注点是和我们硬件密切相关的，举三个例子。一个就是NVH，大家可以看到不管是加热功能还是升压，车是不动的，但是我们让电流流过电机以后，其实电机上面是有扭矩的，这个扭矩可能不大，比如10牛米，和传动链上的东西配合可能会产生一些噪音，高频或者碰撞的声音，这就变成了NVH的问题。这就需要一个很好的机电耦合特性，你怎么建模，了解到整个电机的定转子，配合减速器，这些是我们没有看到的，或者光看这个软件功能不会理解到。另外一个是关于可靠性，这些功能是新的，过去IGBT不是这么用的，但是今天你这么用了以后，给它带来一些新的工况，这个电机能不能扛得住，热量这么高，功率模块会不会失效得比原来更早一些，这是可靠性问题，需要相应的可靠性的设计。最后还有一个是功能安全，这个车子让它停在这里，让它加热或者充电，一旦哪个地方发生了失效，会不会带来一些不好的影响，这就是我们一个经典的功能安全需要考虑的问题。这些都在刚才说的软件功能之外。
软件功能这里不展开，但是中间框出来（配图）的这些反而需要硬件和系统层面非常重要的这些关注点才能很好地解决整个功能的问题，最终提供给客户一个很好的结果。快充可以用逆变器输出50kw以上，控制扭矩波动小于10Nm，这些是我们最后的结果。 总结一下，心强体健部分，我们需要功率模块和芯片级别的统筹设计，帮助功率密度的提升。 脚痛医头，电机噪音通过控制器来解决，这是一个系统的思维，不一定要脚痛医脚这样去做。 骨肉相连，基于软硬件的功能创新我们需要做到充分掌握硬件和系统才有可能通过软件创新去创造价值。 最后稍微介绍一下联合电子，联合电子于1995年成立，致力于以先进的驱动科技帮助中国汽车行业的发展。我们到去年年底整个燃油车发动机管理系统产量超过1亿，市场上超过1亿台车子装了我们的ECU；现在我们也服务新能源市场，目前拥有超过1000名的员工，产品覆盖混动和纯电，生产线超过30条，到去年年底我们已经交付的产品装了大概60万辆车，包括了20多家整车厂。这是我们电力驱动业务部的口号，”Passion to move electrified”——我们希望以满腔的热情，通过电气化帮助整个行业发展。今天市场追求极致的用户体验，刚才说到快充最高的效率、最好的功率密度，性价比的提升，我们将致力于不断通过创新来解决。这是我们一直在努力的方向，我们把这些价值提供给客户，尽可能和大家一起合力把中国的新能源市场做大做强。 |
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