目前,大家都在分析中國新能源汽車技術發展趨勢。而科技部《新能源汽車重點專項申報指南》已經發布,對企業而言很有指導意義。下面是筆者學習《申報指南》后,對度電機驅動與電力關鍵技術發展趨勢的分析,分享如下:

一、中國新能源汽車重大共性關鍵技術的主攻方向
 《申報指南》列出中國新能源汽車技術的主攻方向包括:動力電池與電池管理系統,電機驅動與電力,電子、電動汽車智能化,燃料電池動力系統,插電/增程式混合動力系統,純電動力系統。一共是6個方向,再細分 24 個研究任務。

 筆者理解:
 ①企業與政府規劃要保持一致,企業經營活動(含技術攻關)要在政府的頂層設計下開展。
 ②企業具體的新能源汽車研究(開發)項目必須在6個方向下、24個研究任務之中;
 ③企業具體技術研究和開發項目,理應與中央政府政府年度計劃技術攻關項目對應起來。
二、電機驅動與電力關鍵技術研究任務
 1、商用車高可靠性車載電力電子集成系統開發

 研究內容:
 研究基于功率器件級集成的多變流器拓撲結構和絕緣柵雙極型晶體管(ⅠGBT)芯片集成封裝技術;研究機-電-熱集成設計技術及電磁兼容技術;研究硬件安全冗余、軟件容錯等系統功能安全技術;研究集成電力電子控制器產品(簡稱 PCU)的可靠性及測試方法。開發出適用于 10~12 米純電動、插電式、增程式客車的 PCU 產品。

 考核指標:
 商用車電力電子集成控制器產品比功率≥10.0kVA/kg;控制器最高效率≥98%,效率大于 90%的高效區≥80%,集成控制器電磁兼容性能(EMC)(帶載)、可靠性和產品設計壽命滿足整車要求,PCU 產品壽命≥8 年(以關鍵器件壽命設計文件與加速壽命驗證測試報告作為驗收依據);配套整車產品完成公告,并批量裝車。

 筆者解讀:
 Ⅰ)功率器件級集成的多變流器拓撲結構和絕緣柵雙極型晶體管(ⅠGBT)是核心競爭力技術和產品,是中國發展新能源汽車的短板。
 Ⅱ)適用于 10~12 米純電動、插電式、增程式客車的 PCU 產品,是主攻方向。
 Ⅲ)集成控制器電磁兼容性能(EMC)(帶載)、可靠性和產品設計壽命滿足整車要求,目前公交車整車生產企業急需這樣的產品。
 Ⅳ)中國發展新能源汽車必須要能自己研發和生產功率器件【絕緣柵雙極型晶體管(ⅠGBT)】,否則,彎道超車就只是一個口號而已。
 2、轎車高可靠性車載電力電子集成系統開發

 研究內容:
 研究基于功率器件級集成的多變流器拓撲結構,開發機-電-熱集成設計技術及電磁兼容技術;研發芯片集成封裝技術及硬件安全冗余、軟件容錯等系統功能安全技術;研究集成電力電子控制器產品(簡稱 PCU)的可靠性、壽命設計及測試方法。開發出適用于 A 級、B 級插電式/增程式混合動力乘用車的PCU 產品。

 考核指標:
 PCU 產品設計安全等級達到或超過 ⅠSO 26262ASⅠL- C 等級;PCU 產品設計壽命不少于 10 年(以關鍵器件壽命設計文件與加速壽命驗證測試報告作為驗收依據);功率密度≥15.0kVA/L(對于插電式、增程式混合動力車型按驅動電機控制器和發電機控制器峰值功率之和計算);控制器最高效率≥98%,效率大于 90%的高效區≥80%,集成控制器 EMC(帶載)、可靠性和產品設計壽命滿足整車要求,配套整車產品完成公告,并批量裝車。

 筆者解讀:
 Ⅰ)商用車和轎車對功率器件級集成要求基本相同,功率器件是基礎性產品,其技術共用。
 Ⅱ)整車技術水平升級和產品競爭力,沒有適用的功率器件,就無法用力。
 Ⅲ)電機控制器目前還做不到與電機一體化,主要的原因是功率器件高溫指標無法與電機工作溫度匹配。
 Ⅳ)如果功率器件無法集成到電機內部,需要突破中央電機布置模式,困難重重。這里提醒開發四輪驅動的整車企業,要注意該技術發展趨勢。

 3、基于碳化硅技術的車用電機驅動系統技術開發

 研究內容:
 攻克低感高密度碳化硅模塊封裝、高溫高頻電容器設計與封裝技術難關;研究碳化硅變流器高功率密度,高頻化永磁電機設計與工藝,電機驅動系統高效控制技術,噪聲、振動、平順性(NVH)和 EMC 等技術;研究碳化硅控制器與驅動電機一體化集成技術;研究碳化硅電機驅動系統的全壽命周期成本評價方法;開發出車用大電流碳化硅模塊、車用高溫高頻大電流電容、全碳化硅電機控制器以及整個電機驅動系統。

 考核指標:
 電力電子模塊電流≥400A,電壓≥750V;電容器容積比≥1.4uF/mL;碳化硅電機控制器功率密度≥30kW/L,最高效率≥98.5%,超過 90%的高效區≥90%;電機峰值功率密度≥4.0kW/kg(30 秒),連續比功率≥2.5kW/kg;電機最高效率≥96.5%,電機及其控制系統最高效率≥94.5%,超過 85%的高效率區不低于 85%;實現裝車應用不低于 10 輛。提供 2 項相關的環境適應性和安全性評價國家(或行業)標準(或國際標準提案)草案。

 筆者解讀:
 Ⅰ)碳化硅是用石英砂、石油焦(或煤焦)、木屑為原料通過電阻爐高溫冶煉而成的一種耐火材料。化硅粉末涂布可提高其耐磨性而延長使用壽命1～2倍;碳化硅的硬度很大,莫氏硬度為9.5級,僅次于世界上最硬的金剛石(10級),具有優良的導熱性能,是一種半導體,高溫時能抗氧化。這就是說,車用電機采用碳化硅材料是基本趨勢。
 Ⅱ)開發出車用大電流碳化硅模塊、車用高溫高頻大電流電容、全碳化硅電機控制器以及整個電機驅動系統是基本趨勢。
 Ⅲ)新能源汽車采用永磁電機是基本趨勢,目前特斯拉電動車的電機已經由感應電機技術路線轉向永磁電機。永磁電機的最大優勢是在高速電機方面。
 4、高效輕量化輪轂電動輪總成開發

 研究內容:
 突破電動輪集成技術,包括研發電動輪總成的電、磁、熱以及整車結構應用等多領域協同仿真技術,突破電動輪液冷結構與動密封、低轉矩脈動和 NVH、抗振能力和可靠耐久性技術。開發出高效輕量化電動輪總成。

 考核指標:
 滿足A級和A0級純電動轎車應用的電動輪總成(輪轂電機本體或輪內電機與減速器的總成)峰值功率密度≥2.5kW/kg(≥30秒),峰值轉矩密度≥18Nm/kg,連續比功率≥1.8kW/kg,最高效率≥94%,噪聲≤75dB(A)。實現小批量裝車不低于 10 輛。

 筆者解讀:
 Ⅰ)輪轂電機本體或輪內電機與減速器的總成應用方向是A級和A0級純電動轎車;
 Ⅱ)目前主要要求能實現小批量裝車不低于 10 輛。這說明,該技術尚處于研究階段,處于驗證期。
 Ⅲ)商業車推行上規模用輪轂電機,還沒有到時間。
 5、一體化驅動電機系統研制

 研究內容:
 突破高速減速器設計、齒輪加工與研磨、軸類精密加工、鑄造殼體技術難關;研究高速驅動電機與減速器結構集成、潤滑與冷卻系統、NVH 技術;掌握電驅動總成批量制造生產工藝與高效檢測等產業化技術;開發出新一代高性能電驅動總成產品。

 考核指標:
 驅動電機及高速減速器的最高轉速≥15000 轉/分,電驅動總成匹配額定功率 40-80kW,比功率≥1.8kW/kg(峰值功率/總重量),最高效率≥92%,電驅動總成噪聲≤80dB(A),具備電子駐車功能,實現批量裝車不低于 100 臺套。

 筆者解讀:
 Ⅰ)一體化驅動電機系統是一個總的發展趨勢,要一步一步來推進。要從乘用車開始驗證;
 Ⅱ)驅動電機及高速減速器的最高轉速≥15000 轉/分,對我國而言已經是較高指標,離國際上水平最高轉速≥18000 轉/分距離較遠;
 Ⅲ)高速驅動電機與減速器結構集成,是一個比較高目標。尤其的商用車而言更難。
 總結:電機驅動與電力關鍵技術是瓶頸之一。目前中國這方面與國際上先進相比,差距是明顯的。彎道超車,也必須要科學的精神,一步一步來推進,急不得。