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WNEVC 2021 | 株洲中车时代电气股份有限公司何亚屏:中车电驱动系统核“芯”技术

盖世直播 2021-09-16 15:50:06

2021年9月15-17日,“第三届世界新能源汽车大会”(WNEVC 2021)在海南国际会展中心盛大召开,由中国科学技术协会、海南省人民政府、科学技术部、工业和信息化部、生态环境部、住房和城乡建设部、交通运输部、国家市场监督管理总局、国家能源局共同主办。本次大会以“全面推进市场化、加速跨产业融合,携手实现碳中和”为主题,邀请全球各国政产学研各界代表展开研讨。

在9月16日上午举办的 “新能源汽车电驱动技术” 主题峰会上,株洲中车时代电气股份有限公司汽车事业部总经理何亚屏发表了精彩演讲。

以下内容为现场演讲实录:

尊敬的各位嘉宾各位领导,大家上午好,大家可能对中车的认识,都是来自于对高铁的认识,其实中车早在2002年开始,从电动大巴到新能源汽车电驱布局了20年。从产业链底层的芯片电动传感器,到电驱电机,再到多合一电驱系统布局了很多技术,今天有机会把我们做了这么多年的技术给大家展示一下。

今天这个片子分成三个部分。我们思考了如何做下一代技术,我们对行业的发展做了一些研究。这几年新能源汽车已经是不可逆的,现在购买电动汽车的主要有三种人,首先是90后00后个性化的要求;另外是增购,未来增购的要求驱使电驱系统更加要往大功率大电压、大转速、高集成度方向发展。最后随着新能源汽车越来越多,大家对续航里程的要求也是越来越高。从这些要求、从不同时间节点可以看出来,对整个电驱系统的关键指标要求更高了,包括功率密度、成本和性能等方面,包括2025年整个功率密度下降、成本降低30%以上。但是要达到上面这些目标我个人觉得有一些问题要解决。

整个系统的一些技术的快速工程化,包括智能寿命管理等等。再加上今年缺芯的形势下,如何把底层半导体芯片的技术研究国产化。另外在这种电机、电控结构变化不大的情况下,如何更低成本的利用一些基础材料,如电机材料、高压绝缘材料来降低整个产品成本。还有随着集成度越来越高,怎么把电机电控融合成一体,包括电控的深度集成。我们从电量、传感器,再到芯片,到自己电控的PCAB融合到一起,对这些基本的工艺进行了一些研究。

中车也从底层的传感器到半导体、再到组件的电控电机、到多合一、我们布局了20年。从健康管理、到整个系统设计、电子兼容等等,各种技术上有各种专利,各项专业点,为各个主机厂赋能。第一个是PHM技术,解决安全和里程焦虑。解决安全就是预知安全,预知风险,有风险就解决它。大家知道高铁发生事故是很危险,这些问题是可以提前预知的。把高铁的健康管理寿命预测技术移植到汽车上,原来所有的汽车只有两种状态要维修,第一种是有故障的时候,另外两千公里一万公里做保养。保养和修,无论哪种都会导致不安全,导致过度保养。我们对一些电子部件建立一些大量的数字模型,对它进行健康管理,目前针对里面的一些核心,比如经常出问题的电子器件,包括我们自己做的轴承等等,进行了一些基本的项目。不需要加装传感器,只利用已有的电机电压电流的参数可以预测出来它的寿命。目前我们建了一个PHM实验室,欢迎大家到我们那里指导。第二是功能安全,这个被提到了很多,包括五层的冗余和去年获得的产品认证。另外是效率,更多角度从全系统的效率考虑,首先电机的本体,从项目最优点和全工况的设计角度出发,保证全工况的设计;第二从控制的角度出发该怎么做,这里面临很基本的技术点,包括调制技术、过调制技术、电机本体设计、控制本体效率提升等。

在NVH方面,主要有两种设计方式。一种是正向设计,在电机设计和控制设计过程中从结构角度做到NVH的最优设计;另外是主动降噪角度,通过控制的方法来降噪,这方面有很多专利,比如在主动降噪的角度采用一些控制方式。还有就是我们现在的EMC,在传导辐射的角度做了一些工作,在里面的电路设计、强弱分离等等达到了class5。

我们有自己的应用场景,把用了一两年不同状态的IGBT作为标本,计划打造一个产品放在4S店。可以离线的把IGBT的状况孵育出来,再把时间弄出来。

我们自己有一条碳化硅的生产线,从1200 V碳化硅角度说,整个电控的主要发热点受碳化硅的开关损耗和电容的影响,功率越大损耗越多。从整体来讲,如果碳化硅整个损耗大幅降低,电控的最好效率可以达到99.3%,对比以前有大幅度的提升。

在系统层面我们可以通过各种方式把IGBT在早期和末期评估出来,但是运行过程中最主要的IGBT使用状态是温度,如何有效的把使用温度估算出来,一直是研究的话题。即使是预埋温度传感器也不能及时找到最高温度的工作点,我们通过在线和离线的方式,在计算的方式下把IGBT的温度找出来是更有效更精准的。

针对降成本,主要是软解码的方式。通过软件可以让解码方式做得更加精准,特别是当速度越高到两万转或者更高的时候、硬件采样精度低的情况下,使用软解码方式可以使采样位置更加精准。

我们也对电控的专项故障进行了梳理,发现在故障的时候,大部分是来自传感器位置的故障。对于行车过程中突然出现位置传感器颠覆的时候,如何把传感器的技术引进来让车即使出现问题也有更多的备份和冗余,在传感器出现问题以后,可以安全冗余的把车停下来开回去。

随着电动汽车越来越多的使用,不仅是从电池角度提高续航,更多是从控制的角度提高效率。这方面我们也采用了一些技术,针对开关损耗的角度,通过采用智能开关的方式,降低开关的损耗,提高开关的寿命,来防止开关损耗的提升,采用这种方式以后效率有一部分提升。

我们在无锡的公司,有一些减速机的技术,包括提速、减重、轻量化方面等,还有在润滑和散热方面一些自己的专利;如何把转速机和扭矩做到更高,从这些方面做了一些探索。

下面讲一下半导体,就是IGBT技术。布局半导体技术应用在新能源汽车上,从最早的到现在,怎么提高IGBT在功率密度不变的情况下提高散热能力,目前已经到了第7代。还有就是封装技术,大家知道随着功率密度要求不断提升,和成本的不断下降,对封测和芯片技术要求有所提升,里面最大的成本和最大的体积占比都是IGBT的器件。从封装、散热的角度想了一些办法,我们未来在平面封装方式上有全系列的产品和技术。还有电量传感器,传感器虽然很小,但每个控制器要用好几个,对于可靠性和一致性要求很高。除了封测和芯片产生的技术,最主要的是对产品一致性的保证,通过这一套方法来保证每一个电量传感器的一致性可以一次性得到保证。

最后花一点时间针对中车在电驱产业的基本概况,做一个简单的汇报。其实大家对我们的理解一直在高铁地铁,在轨道交通。我们做乘用车这个领域已经有七八个年头了,今年差不多交付了10万套以上,最早的车也跑了十万公里了,现在整个电驱三合一系统大概是在排名第9的样子。

目前我们的产品结构也是针对纯电和混动,可以从芯片和IGBT这个层面、传感器层面、再到组件,从定子转子、到布控、多合一、有完整的产品。技术平台都是传承于高铁领域62年来的积淀,我们的平台是经过了充分的几十年的验证,我们还有院士带领团队技术人员在往前做技术。

因为布局比较早,从传感器技术到芯片技术,在今年芯片缺失的情况下,有自主的技术意味着可以从关键器件到核心部件,可以做到全产业链的完全自主可控。

现在除了株洲、无锡有50万产能之外,我们在各地布了百万的产能,在株洲、无锡两个地方花了差不多5个多亿打造全自动的比较先进的实验室,无论从单体的,包括PCBA、电控部件的,到整个系统的,我们都有整个试验的一套装置,欢迎大家到我们实验室做指导。这是我给大家汇报的,谢谢大家

(注:本文根据现场速记整理,未经演讲嘉宾审阅)