經過多年的持續發展,我國自主開發的永磁同步電機、交流異步電機和開關磁阻電機已經實現了與整車產業化技術配套,電機重量比功率達到28 ~30kW/kg,電機系統最高效率達到94%以上,系列化產品的功率范圍覆蓋200kW以下新能源汽車用電機動力需求。國家863計劃節能與新能源汽車重大項目總體組電機責任專家、上海電驅動有限公司總經理貢俊說:“在關鍵技術指標方面,我國驅動電機的功率密度、效率等電機技術水平與國際水平基本相當。”但從更高發展水平看,國際上以通用沃藍達、本田雅閣插電式乘用車為代表的幾個國際主流主機廠采用的驅動電機的峰值功率密度(在等效300VDC)可達到38 kW/kg、連續功率密度可達24~28 kW/kg,而我國的電機峰值功率密度大多在28 kW/kg、連續功率密度在12 ~16 kW/kg。
從電機轉速來看,國內驅動電機可以達到12000rpm,與國際14000~16000rpm仍有一定差異。貢俊表示,我國電機峰值轉速盡管與國際先進水平有一定差距,但是現有水平已經能夠滿足消費者使用需求。另外,因為我國汽車減速器的轉速尚不能達到較高轉速,所以驅動電機的轉速沒有必要追求超高的轉速。

在高性能創新結構電機的開發上,例如矩形導體、分段導體、定子鐵芯嵌入和定轉子鐵芯分段等電機技術,我國只有少數電機供應商進行樣件開發探索,而國際上已經開始批量生產并進入市場;在冷卻技術方面,例如繞組塑封、油冷技術,我國相關產品尚處于起步階段;高端試驗和關鍵生產設備、檢驗設備的水平相對落后,基本依賴進口;在大規模產業化過程中,自動化生產設備短板明顯。相比國際電機產業,我國驅動電機產業鏈還不夠完善,部分關鍵材料和零部件(如耐油絕緣材料、高速軸承等)研發投入不夠,核心部件(鐵芯和永磁體等)材料利用率相對偏低,驅動電機技術和工藝水平仍需要進一步提升。
貢俊介紹,我國已自主開發了滿足各類電動汽車需求的電機控制器產品,但目前我國電機系統技術水平與國際先進水平差距明顯,尤其在電力電子集成控制器方面。單從電力電子集成控制器功率密度比較,存在50%~60%的差距;在芯片集成設計、熱設計、產品化設計等核心能力方面差距更大,在電力電子控制器集成度方面,目前我國規模化生產的電機驅動控制器功率密度為5~8kW/L,低于12~17 kW/L的國際先進水平。其主要原因是國內控制器功率密度的大功率IGBT 器件為國外標準封裝產品,而國外控制器采用更高功率密度的定制型大功率IGBT器件。同時,我國電機控制器、車載充電機和DC/DC 等車載電力電子變換器大多采用獨立封裝形式,集成度低、重量大,而國外多功能集成功率控制器 PCU產品已規模化市場應用。
在下一代功率器件發展方面,第三代寬禁帶功率半導體材料、器件和寬禁帶功率半導體控制器的基礎理論和技術開發在我國基本處于起步狀態,與跨國汽車企業全SiC電機驅動控制器的裝車試運行狀態差距更大。SiC材料可以工作在200℃以上,開關頻率可以達到MHz級以上,特別適合于高溫環境下應用,迫切需要高溫電力電子基礎理論支撐,我國在這方面研究基礎較為薄弱。
高度集成將成未來主要趨勢
“驅動電機系統將向著集成化的方向發展,降低整個系統的重量和體積,并可以有效地降低系統的制造成本。”國家863計劃節能與新能源汽車重大項目總體組電機責任專家、上海電驅動有限公司總經理貢俊介紹,集成化包括兩個方面:其一是機電集成,即電機與發動機總成或電機與變速箱的集成,其技術特點是通過高效率高速電機與高效傳動系統的集成,來提升驅動系統效率、功率密度并降低成本;其二是電力電子集成,主要包括基于IGBT芯片、電容、高效散熱技術(如雙面冷卻)的高功率密度電力電子集成技術,以實現車載電力電子系統的功率密度倍增,降低成本。同時,以數字控制為基礎、功能安全設計為目標、電磁兼容為約束的高可靠性、多拓撲組合的車載電力電子集成技術,向著滿足ISO26262的汽車工業產品安全設計的方向發展。
近年來隨著以SiC為代表的第三代寬禁帶材料技術及產品快速發展,國外企業(特別是日本)不斷推出全SiC電力電子集成控制器產品樣機,全SiC控制器功率密度比Si 控制器提升兩倍以上,國外某些全SiC控制器產品樣機已處于裝車試運行狀態。SiC擊穿場強為Si的10倍,SiC電子飽和速度為Si的兩倍以上,熱傳導率約為Si的3倍,相比Si更適用于生產大功率、高溫、高壓、抗輻照電子器件,適合電動/混合動力汽車的頻變工況場合,有望為車用電力電子裝置帶來革命性變化。
貢俊介紹,早期我國新能源汽車市場容量只有數千套的環境下,產業內的電機電控企業數目屈指可數,尤其是按汽車產品要求進行驅動電機產品正向開發驗證及生產的企業更少。如今,在市場快速發展和國家政策的刺激下,周邊行業的輻射覆蓋、外資企業的大舉進入等都極大加強了我國驅動電機領域的產業基礎。尤其是在資本市場的作用下,使得前沿技術與產業的融合速度加快。此外,在互聯網模式的影響下,傳統產業或傳統企業都已逐步從單純的產品溢價轉向商業模式的溢價,對產業鏈的整體發展起到了促進作用。未來,驅動電機產業將呈現多樣化業態、靈活合作模式、智能化制造方向發展。

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