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高大威:新能源汽车动力系统的关键技术

  • 2017-08-04 17:17
  • 来源:电动汽车资源网 ChinaEV100

摘要:2017年7月28日,中国电动汽车百人会举办了主题为“新能源汽车动力总成开发”的技术研讨会。清华大学教授高大威针对动力系统的构型、关键技术以及未来面临的机遇和挑战等问题进行了发言。

高大威:新能源汽车动力系统的关键技术

电动汽车资源网EV江湖 ChinaEV100】2017年7月28日,中国电动汽车百人会举办了主题为“新能源汽车动力总成开发”的技术研讨会。清华大学教授高大威针对动力系统的构型、关键技术以及未来面临的机遇和挑战等问题进行了发言。主要讲四个方面,动力系统的构型和电驱动系统的核心地位、动力系统集成中的关键问题、电驱动系统研究现状及面临的机遇和挑战,最后探讨目前电驱动系统面临的几个重要的、但现在还没有答案或答案不确切的问题。

动力系统的构型及电驱动系统的核心地位

整个动力系统的组成部分由三部分组成:动力源、电力电子系统、驱动系统。电力电子系统相当于动力系统的子系统,是围绕整个直流母线的,到后面的负载部分。需要指出的是后面的负载除了电机以外,在车上还有一些附件,这些附件是有些功率还是很大的,包括车载空调、转向、控制系统等。

动力系统中电力电子部件所处的位置或连接方式决定了系统的具体构型和能量流动方式、流动途径,动力系统连接方式不同,整个构型也是不同,而真正体现构型的是中间的电力电子部件部分。

对于后面电机驱动部分,现在有两种方式,一种是集中式驱动,一辆车就一个驱动电机;另一种是多电机,属于分布式驱动。实际上不管哪种类型的动力系统,电驱动系统都是它的核心。

动力系统集成中的关键问题

直流母线电压制式的选择,现在市场上主流车型采用的电压制式有两种,一种是300伏,电压从280伏到450伏区间变动,主要被乘用车采用;商用车电压要高一点,是600伏,500伏到700伏的区间。

技术上讲,直流母线电压制式的选择往往由蓄电池和电机系统决定的,实际上由于母线上连接的部件比较多,不仅是电机和电池,因此电压制式不仅仅而且不应该只由这两个部件决定,这里涉及到的关系较复杂。

电压制式的选择影响系统效率、成本、整车安全性、可靠性包括电池兼容性等。丰田给出的电压制式动力系统方案是,直流母线电压选择200伏左右,用的207伏的系统。丰田把与驱动不相关的附件都挂在这个母线上。驱动电机则把电压提高到了650伏,能够让整个控制部分或效率得到很大提高,电流也会较小。从电池角度来讲,希望串联的单体数尽量少,这对电池单体的一致性要求较低,同时,蓄电池单体之间的差异对动力源的寿命或耐久性的影响会小一点。

驱动方式目前分为两大类:集中式和分布式。分布式有两种表现形式,包括轮边电机和轮毂电机。集中式和分布式各有特点。目前,基本上都选用的是集中式驱动,但从发展趋势来讲,分布式驱动会更加灵活高效,但是对控制系统的要求也较高。

从技术角度看,高度集成化是汽车电力电子系统的需求,能提高效率、减小体积。这也对电力电子器件模块化提出了新挑战,如何选择电力电子部件并使其利于集成?集成是由谁集成?目前国际上的发展潮流,都是由整车单位集成,但是整车单位集成的问题是,硬件结构甚至技术手段是不是对整车单位开放,或者开放到什么程度。

电驱动系统研究现状及面临的机遇和挑战

电驱动系统从基础来讲,包含六个方面:驱动能力、驱动效率、控制精度、系统稳定性、电磁性能、工作寿命。这六方面也影响着整车性能,包括动力性、经济性、舒适性、安全性、可靠性、耐久性。此外,成本低、密度高且要小型化、智能化这三方面也直接影响着电驱动系统的产业化。

从电机控制技术角度讲,目前可以分成几个层次,作为电驱动系统对外体现的特性,往往就是效率怎么高、控制精度怎么好,包括电机达到多少转速等,这是技术的核心。但是在实际应用中,即使小批量也要对它的安全性、可靠性、维护性提出要求。当然要说真正的大批量生产和整车厂结合可能还要考虑成本、耐久性、通用性这些要求。

电驱动系统的挑战有哪些?

目前来看,降低成本是最大挑战。美国DOE提出的电驱动系统降低成本的路线。降低成本大致可以分为几个部分:第一个部分是电机的铁磁材料成本;第二部分是电力电子器件部分的成本要降低,如果采用性能较好或符合现在发展潮流的电力电子器件的话,肯定选择宽带隙电力电子器件。但宽带隙器件的成本更高,降低这部分成本肯定是有困难的;第三部分是电容部分,这部分成本应该比较好降;第四部分是电机本体其它机械部分,如壳体等;第五部分是电驱动系统整个生产过程中的管理成本等。

此外,电驱动系统需要高度集中化,其中的技术就包括先进材料、先进器件、可靠性、电磁管理,这也是目前电驱动系统面临的挑战。

很重要但不可预知的问题

最后,围绕电驱动系统提出几个问题,大家可以思考一下。

1.目前,永磁电机是乘用车、商用车的主要电机类型,但永磁电机需要用到稀土,而稀土价格又对电驱动系统的影响较大。但是稀土价格现在有不确定因素。出于一些因素美国提出尽量不用稀土或少用,也就是可以不用永磁电机,例如特斯拉。

2.永磁材料可以回收吗?回收效率、回收成本如何?

3.到底有没有新的替代材料可以替代稀土?实际上还有一个环境问题,因为现在稀土的开采方式对环境、地下水的破坏太大。

4.电力电子器件的价格是不是会下降?工业级器件的价格是逐年下降的,但是反推到汽车级器件上,包括现在用宽带隙器件,价格下降不明显或者说发展趋势不清楚。当然,电力电子器件用多了,规模成本会下来,这是毫无疑问的,但是下降多少现在还很难讲,这对整个电驱动系统成本影响很大。

5.电驱动系统的效率极限是多少?有没有必要追求极限?现在也提出一个指标:电机控制的高效区。但高效区有些问题,高效区与动力系统总成整个匹配有关,动力系统包括整体工况在区域里面占的位置在哪些点上,你做的区域可能用不到,这样的话提高效区概念也没有意义。

6.现在有一个趋势,要把电机控制器和电机做集成,是否有必要?如果有必要,那么如何集成?也有人说要把电机控制器和其他电力电子部件集成,这是两种方式,哪种更合适?

(来源:电动汽车资源网EV江湖 ChinaEV100 )

本文由电动汽车资源网【EV江湖】作者撰写,观点仅代表个人,不代表电动汽车资源网。

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