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杨良会博士|纯电动汽车动力系统发展现状与趋势(附PPT)

杨良会博士|纯电动汽车动力系统发展现状与趋势(附PPT)

驱动视界 IEauto人才江湖 今天

声明:本文资料来源于2018泰州TMC专题会

编辑: 杨良会,国家新能源汽车技术创新中心电驱动业务负责人

▲纯电动力系统主要特点:

  1. 低速大扭矩,高速恒功率;电机+单档变速器输出特性与传统发动机+多档变速器输出特性相近,且电驱动总成从零转速即可达到最大转矩,且无换挡冲击;

  2. 宽转速工作范围,高效区间大;驱动与发电双工作模式;动力响应快;

  3. 由电驱动总成自身特点决定,电驱动总成结构更简单,做的得更紧凑,布置更方便。


▲纯电动力系统开发涉及到的技术领域:

  1. 零部件关键共性技术

  2. 系统集成技术

  3. 测试验证技术

  4. 产业化应用技术

电驱动总成产品发展目标:动力性、经济性、舒适性、可靠性、安全性、低成本。

产品开发体系:产品标准规范、模块化设计、成本控制设计、产品工艺流程。

关键共性技术:电力电子模块、集成控制芯片、绝缘与导热材料、车用电容器、传感器技术、永磁导磁材料、轻量化材料、车用高速轴承和油封、变速器、车用接插件

产品关键技术:电力电子集成、总成结构集成、热管理技术、电磁兼容技术、减振降噪技术、可靠性设计。

测试验证技术:仿真验证、Sil/Hil验证、产品DV PV、故障诊断、在线标定、可靠耐久验证。

产业化技术:系列化设计、批量制造工艺、批量生产装备、下线检测装备、质量控制体系、产业化应用体系、售后服务体系

▲新的挑战(对比纯电动NVH和燃油车NVH)

1、由于动力总成特性的不同,进排气的取消,电池包的加入等等,纯电动NVH特性发生了巨大的变化。

2、动力总成噪声相比变小,但是:

  1. 电机的高阶噪声大

  2. 减速器的阶次噪声大

  3. 起步加速啸叫

3、车内噪声相比较小,但是:

  1. 路噪、风噪凸显

  2. 异响问题严重

  3. 电子电器声品质问题增多

  4. 声品质控制变得更加重要

4、整车振动总体减小,但是:

  1. 抖动工况增加(启动上电/下电、换挡、急加速、急减速、制动等)

  2. 电机由零转速起步,要求对0-800rpm加速时整车NVH重新设计分析

▲动力系统主要构型

按布置型式,纯电动力系统分为集中式和分布式两种:

集中式驱动可分为集中式两驱和集中式四驱

分布式驱动可以分为轮毂电机驱动和轮边电机驱动

▲集中式动力系统的结构形式:

分体式,如大洋电机,电机、电控和减速器分开

简单集成结构如日常聆风

集成结构如ZF

同轴集成结构如LG

▲电机发展现状

我国电机在功率密度、效率等指标方面与国外先进水平基本相当。

▲国内电机控制器在功率密度等指标方面总体上与国外先进水平存在差距,但差距在快速缩小。

车规级功率半导体材料、芯片、器件、模组技术水平与国外差距较大。

▲轮毂电机发展现状

国外轮毂电机已经接近或达到量产状态,部分样机集成了电力电子控制器模块,具有高转矩密度和集成度。

国内轮毂电机总体处于样机测试阶段,功率、集成度等技术指标和国外存在较大差距。

▲国际电驱动总成发展现状

  1. 通用BOLT采用同轴式一体化动力总成

  2. 大众、奔驰等整车厂在未来纯电动整车平台上计划采用一体化集中式电驱动总成

▲国内电驱动总成发展现状

  1. 北汽新能源率先在国内采用高压集成系统PEU

  2. 比亚迪率先在电机减速器一体化动力总成

▲国际两档变速器开发应用现状

应用于电动乘用车、电动商用车以及插电式混合动力P4方案

但大部分处于样机阶段,尚未实现大批量装车应用

  1. GKN分体式两档AMT采用定轴齿轮传动,同步器换挡,不可动力换挡,量产应用于BWM i8插混

  2. GKN集成式同轴两档AT电驱动总成,驱动电机、电机控制器、两档AT高度集成,可动力换挡

  3. FEV集成式两档干式DCT电驱动总成,驱动电机、电机控制器、两档干式DCT高度集成,可动力换挡

  4. 舍弗勒集成式两档AT电驱动总成,驱动电机、电机控制器、两档AT高度集成,可动力换挡,已经应用于WEY P8,但是貌似电机是西门子的。

驱动电机

1、提高功率密度主要手段:转速提升;采用扁导线绕组工艺

2、少稀土、无稀土永磁电机开发应用

  1. 混合磁极式永磁同步电机:同时使用铷铁硼与铁氧体两种特性相互互补的永磁材料

  2. 多层内置式电机:永磁体采用内置式多层结构,为每层永磁体设置磁障,可节省永磁体用量。

  3. 可调磁通电机:可以通过施加充、去磁电流改变永磁体磁状态,从而调节气隙磁通的永磁电机,具有宽调速范围

  4. 新型铈铁硼永磁体电机:采用价格低于铷铁硼、性能优于铝镍钴的铈铁硼材料。

国外驱动电机最高转速不断提升,麦格纳eDRIVE最高转速15000rpm,博世eAXLE最高转速16000epm

▲电机控制器

1、发展方向:高功率密度、高效率、高功能安全、高EMC性能、高电压平台、低成本。

2、先进功率半导体材料、芯片和封装技术是实现上述目标的关键。

  1. 利用芯片双面焊接

  2. 低阻大电流碳化硅芯片及封装在新能源汽车开始应用测试;

  3. 高电压电力电子系统开发(从250-500V提升至500-800V)

  4. 中国2020年,功率密度30KW/L,2025年功率密度40KW/L,美国能源部2025年功率密度目标100KW/L。

▲电机控制器:新型电力电子拓扑

1、BYD实现V2G的新型变流快充技术:大功率车载充电机集成电机控制器和对外放电功能的V2G技术-双向逆变充放电式电机控制器,其共用三项全控桥电路,从而节省了IGBT等功率器件

2、北汽新能源PEU一体化拓扑实现MCU、DC/DC、OBC、V2X等功能。

3、新型高效电力电子拓扑研究:美国橡树岭国家实验室基于双三相半桥拓扑,采用载波移相脉宽调制算法将主要环路纹波电流有效值降低55%-90%

▲国际主流动力系统供应商投放的纯电驱动总成产品中,一体化总成占比达87%。

▲电驱动总成

  1. 集成化:纯电动总成集成度分为4级,逐渐加深,最终实现电机、电控、减速器完全继承

  2. 平台化:分为小平台、中平台、大平台

▲分布式驱动

1、分布式驱动短期会在部分细分领域实现快速增长

2、率先在大中型客车和一些特定应用场景下得到应用,随着技术进步和产业链资源完善,逐步拓展到乘用车

3、相比轮边分布式驱动,轮毂驱动挑战更多更大,预计市场化周期会更长。

▲多电机系统

非轮驱动多电机系统

1、双电机单轴驱动

  1. 一个动力源可以采用高转速电机,另一个动力源可以采用高转矩电机。

  2. 此系统能够实现高转速小转矩和低速大转矩,可以扩展速度范围和转矩范围,提高系统效率

  3. 特斯拉Model S P85D后驱版搭载两台交流(AC)电机,两台电机输出功率均为259KW

2、双电机双轴驱动

  1. 独立地控制多个电机

  2. 获得良好的驱动动力性

  3. 驾驶舒适性和车身设计的灵活性

  4. 制动时更多的能量回收

  5. 多用于大中型车辆或者豪华汽车中

  6. 特斯拉Model S 70D搭载两台交流(AC)电机,前电机输出功率259KW,后电机输出功率503KW。

模块化级联电机系统

1、模块化特点:独立性、标准化、可替换

  1. 独立地工作运行模式,即单组模块出现故障也不影响整个系统工作

  2. 具有确定功能的标准单元,即具有标准化的属性,以及不依附于其他功能而能相对独立地存在的明确特定功能;

  3. 具有能组合成系统的接口,即模块应具有传递功能,能组成系统的接口(输入输出)结构

2、级联:把电机像电池一样串并联使用

  1. 机械串联

  2. 机械并联

3、对电机整体的模块化设计,与内部模块化电机有本质区别

▲多档变速器在纯电动力系统中的应用

  1. 两档变速器应用场景:高性能、高可靠性、综合低成本

  2. 两档变速器基本能满足蔚来主流纯电动汽车需求

  3. 扁铜线电机+两档变速器解决方案

两档变速器的优势:

  1. 降低对驱动电机性能需求:若保持相同性能,一档大传动比可以减小电机最大扭矩,二档小传动比可以降低电机最高转速,降低对驱动电机的性能需求

  2. 提升整车的动力性:若采用相同电机,一档大传动比可以提升加速、爬坡性能,二档小传动比可以提升最高车速,提升整车的动力性能

  3. 提升整车的经济性:通过对两个速比以及换挡规律的优化,可以改善电机运行的效率,提升整车的经济性,增加续航里程

  4. 可以匹配高密度扁铜线电机:二档小传动比降低了电机最高转速,可以规避集肤效应,充分发挥扁铜线电机的优势

  5. 改善整车NVH:二档小传动比降低了电机最高转速,降低驱动系统高频啸叫和高速动平衡振动,提高整车声品质,改善NVH性能

▲发展总结与建议

1、集中式动力系统

高转速、高功率密度、高效率、集成化、模块化、低成本

2、分布式动力系统

商用车领域、高机动越野性能领域、轮毂式驱动从低速向高速拓展

3、变速器

单档变速器是纯电汽车主流、两档变速器应用方向、高性能

4、新技术应用

第三代功率半导体、新型电力电子拓扑、少稀土/无稀土技术(转载)


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