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汇川技术:新能源汽车“三高”电驱动技术发展与实践

供稿:深圳市汇川技术股份有限公司 2017/1/4 16:50:17
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目前,我国自主研发的核心零部件缺失,尚未形成技术壁垒,成为新能源汽车发展的潜在危险。掌握核心技术,提高产品性能及安全性,才能形成具有国际竞争力的品牌,支撑产业的持续发展。

2016年11月26日-27日,百人会•清华大学新能源汽车产业高层研修班上,苏州汇川联合动力系统有限公司董事长姜勇为学员们带来了主题为“三高电驱动技术发展与实践”的分享,围绕着汇川技术的产品高安全性、高可靠性和高效率这“三高”展开分析。

苏州汇川联合动力系统有限公司董事长姜勇

2003年十余名高管从艾默生(前华为电气)出来联手创业,有了今天的汇川。目前公司市值已达330多亿,是整个创业板市值最高的公司之一。经过十几年的发展,公司员工已有4000多人,其中研发人员超过1000人,占比高达25%,并且每年我们会把销售额的10%投入到产品研发,今年公司销售预算35亿元,研发预算就是3.5亿,而这其中又有1/3将投入到新能源汽车电机电控的研发领域。

目前汇川的业务总共涉及4个领域,分成两大业务板块,一个是工业自动化,一个是新能源板块。工业自动化又分为三个子业务板块:一,为中小型OEM提供装备;二,大型的装备制造,比如轨道交通牵引系统,目前苏州在建的地铁线共有5条,其中4条采用汇川的牵引系统,设备总价值多达一二十亿元。三,除了提供单机设备,汇川还提供整套生产设备的解决方案。

在新能源板块,汇川之前已积累了不少经验,例如为露天矿提供的串联式混合动力巨型电动轮车、电动挖掘机以及为南海多个岛屿提供的风光柴蓄互补一体电站等配套产品,正是这种技术积累,让汇川在新能源领域有了自己的一席之地。而今天我们讲的新能源主要是指我们的新能源汽车,汇川采取的策略是“汇融中西”。回顾往昔,2008年汇川成立了新能源汽车部门,当时给吉利熊猫提供一款电驱动系统。后来陆续开发了众泰朗悦、江淮、海马普力马的电机控制器,2012又与宇通签署了战略合作协议,开发五合一集成电控系统。随着新能源汽车领域发生了新的变化,汽车厂商更倾向于整个电驱动系统的打包采购。曾经汇川没有电机业务,也没有充电的业务,认识到自身的短板后,我们便开始在全球范围内寻找合作伙伴,引进吸收国际上的先进技术。Brusa这家瑞士公司进入我们视野,今年起成为了我们的合作伙伴。它是奔驰、宝马、沃尔沃这些著名公司一部分关键电机电控电源技术的提供者。沃尔沃C30电动版上所有的电控装置都是Brusa 提供的;今年6月份奔驰发布了一个消息,明年将会在其S级车型上推广Brusa的无线充电技术。

目前汇川的汽车电控已经实现了完全的自动化制造,客户涉及国内、国际诸多知名企业。最近雷诺、日产、东风,还有德国MAN等多家企业代表到汇川进行考察,认为汇川目前的制造装备和管理水平和一些日本同行基本持平。

高安全性

1、电控的安全性

结合我们去年立项的“玄奘”项目,以及现在的发展认识展开对电控安全性的介绍。为什么取名“玄奘”呢?因为在新能源汽车领域我们的底蕴还不够深厚,我们要虚心地向西方学习,历经九九八十一难求取真经。目前这款产品已经开发到第二阶段,即将在东风某款车上装车测试,我们希望它能够成为中国第一个取得功能安全认证的电机控制器。说到这款产品,就不得不提及功率密度参数。28Kw/L的峰值功率密度在目前国产控制器里已是领先的水平,但我们在产品设计时还有清晰的规划,不仅要达到国家2020年30Kw/L的峰值功率密度标准,而且在此基础上把体积至少还要缩小15%—20%,超越国家标准。在电磁兼容指标方面,目前我们在客车的实践上国内率先达到了class 3等级,玄奘项目在我们自己的实验室自测已经大部分达到class 5等级。

汇川新能源汽车中的电机、电控大部分集中在商用车领域,目前全世界范围内对商用车功能安全还没有明确要求,但是已有商用车功能安全设计的趋势,我们接触的世界一流公司就已经明确对我们提出了功能安全的设计要求。

功能安全对电机控制器概括而言就是实现三个安全目标,第一个,力矩安全,就是控制器要按照VCU指令输出期望的安全力矩。第二个,高压安全,因为我们现在大部分用的这个永磁电机,在失控情况下控制器发生损害可能会产生非常高的反电势,可能会造成功率器件的过压击穿。第三个,热安全,防止IGBT和电机等过温引起的起火隐患发生。我们可以通过故障树分析方法,识别出违背安全目标的电控系统的相关软件和硬件要素,进而在设计时加以考虑。

因此要做到功能安全,控制器的架构就发生了非常大的变化,特别是与力矩相关的电控系统要素,比如MCU,旋变解码,电压传感器,电流传感器,CAN通信等。

目前国内市场上主流的电机控制器大部分还是用工业的DSP完成控制,但是针对汽车功能安全要求,汇川采用的是更为可靠的MCU+SBC+CPLD综合软件架构,通过三种元器件组合构成完整的架构,其中MCU和SBC都是得到ASIL D认证的器件,已达到最高安全功能等级要求,MCU和SBC都可以独立执行安全关断,且SBC可以监控MCU。  

针对电流传感器,如果控制一个电机,需要两相电流传感器,但是考虑对电流采样信号的监控,必须要采用三个电流传感器,且三个电流传感器不能存在共因失效的情况,因此目前汇川电机所用的电流传感器,两个是汇川自身的产品,还有一个是从外部采购的产品,这样就会保证三相电流检测不会出现共因失效。

针对旋转编码器的信号,正常来说直接送到MCU,但我们不是这样做的,首先信号出来分两路,一路是送至MCU高精度的DSADC,通过软件解码后进行矢量控制的运算,另一路送入MCU低精度的ADC进行软件解码,解码结果不参与控制,但是参与监控,即两路旋变解码的校验。

此外,很重要的一点就是对IGBT的故障安全和诊断,原来我们仅仅是对IGBT做一些过流、过温和过压的保护。功能安全要求发生故障后需要进入安全状态,其中一类重要的安全状态是通过IGBT主动将三相电机定子线圈短路,使整车平稳减速停车。但是,如果控制器有个IGBT失效,在执行主动短路前,必须要知道是控制器的上桥IGBT损坏还是下桥IGBT损坏,且需要探测区分IGBT的不同故障:例如CE短路、CE开路,GE短路、GE开路等,例如如果上桥IGBT出现CE短路失效,则只能通过上桥IGBT实现电机的主动短路;如果上桥IGBT出现CE开路失效,则只能通过下桥IGBT实现电机的主动短路。

对于IGBT温度的监控,为了降低温度隔离采样器件的成本,实时监控IGBT结温,我们现在在通过热路模型和软件算法推算IGBT的结温,例如加速15秒钟的加速度、电流是什么情况。去年我们销售了约80万台的工业逆变器,是英飞凌在国内同行中最大的用户,所以他们专门给我们提供了一些带传感器的模块用来做验证性测试,建立模型。目前我们的估算水平可以做到车辆平稳行驶时,结温估算偏差在正负3度左右。在动态频繁加减速的过程中,结温估算控制在正负15度,这个指标已达到和博世、电装接近或相当水平。

2、电机的安全性

首先我们要考虑到这种电机在极端的工况性是不是有较低的反电动势。很多电机在极限情况下的反电动势超过1250V。新能源汽车的工况充满不确定性,如果电机和系统没有考虑到安全的设计,是存在安全隐患的。我们现在的电机不同于传统的电机,通过引进应用于宝马i3的HSM电机技术实现跨越发展。这种电机的磁阻转矩大概可以占到全部转矩的55%,因为没有使用那么多永磁体从而带来了一系列伴生的优点。比如目前某款主流的大巴电机,达到峰值转速的时候反电势在1197V,而我们的HSM电机在841V,包括电容、模块都在安全的范围内,不会超标。因为我们的HSM电机反电势小,同样也带来了短路电流、短路转矩非常小,沃尔沃c30/大众E-Golf就选择了这个电机。国内主流的电机达到2.5倍额定转速后,电压有可能就不在安全范围内了,我们的HSM电机可以达到3倍以上电压,假设此时转速达到1.2万转每分钟,反电势还在系统安全电压范围内。

高可靠性

比起轨道交通,新能源汽车使用环境异常复杂,这就给车辆环境适应能力带来很多挑战,为了保证新能源汽车的高可靠性,我们采用了一系列的可靠性设计手段。

为了验证IGBT模块的可靠性,我们要根据新能源汽车的工况分布图,推导出元器件损耗分布图,继而推导出温升分布图,结合模块厂家的寿命分布曲线,以统计学方式形成一个科学的模型,测算出我们IGBT的寿命年限,从而证明我们的IGBT是可以满足整车厂的要求。我们公司主流的IGBT分为内冷和双面水冷。目前双面水冷IGBT还没有推向市场,我们是中国首个拿到这种IGBT模块测试的公司。这个IGBT模块体积下降了40%,饱和压降下降15%。

一辆汽车从出厂到报废大概会有2~3万次起停,这就给线路板里面的焊点带来非常苛刻的挑战,汇川目前采用的是新型焊料,可以很好的提高产品的可靠性。此外,经过研究发现,线路板在高电压和潮湿的环境下会有金属盐沉积,造成线路短路,而我们改进的新型材料,能够保证在高电压结构且非常紧凑的环境下,阳极纤维化的速度是缓慢的。

此外在电容寿命方面,目前汇川的膜电容最高温度可以控制在95度之内,而我们选择的电容是105度的规格,这就可以保证电容的高寿命。还有专业的冷却技术,让水形成一个射流,就会在散热器表面形成很多漩涡,通过这种漩涡的方式可以把热量更充分的带走,这种漩涡导热能够比正常表面流动提高20%以上。

高效率

现在的电控系统效率是比较高的,一般电机的效率也能做到93%、94%、95%甚至更高,我们每提高0.1%、0.2%的效率其实都要付出很多的努力。

我们有一项技术叫开关频率的动态调整技术,一般机器为了保证控制效果都有载波比限制,当车速比较低的时候我们的电机频率也比较低,同样达到比较好的动态效果,这时可以减低频率调制,减少开关动作的次数,从而减少损耗。在速度很低的时候,载波频率也非常低,到了城市工况时载波频率设置为中间值,到了高速的时候把载波频率提上去,这种方案控制器效率大概可以提高1~2%。

通过工况模拟,结合车辆真实运行的工况,根据统计学的概率统计出来,有针对性的设计控制策略,把最高效的区域用在最常用的区域里面,也可以显著提升效率,这就是电机的定向设计。不同车的工况是有个性的,因此用一款电机包打天下肯定是不合适的。换句话说,用同一款控制器、同一款电机做这个事情,不是效率最优化的选择。比如针对公交车和团体车两种不同的工况,我们采用两个设计不同的取向,公交车有公交车的高效区,团体车有团体车的高效区,我们针对不同车型设计电机的高效区,公交车的电机效率相比竞品可提高1个百分点,而团体车可以提高大约5个点。

汇川的HSM电机是一种少磁化的电机,意味着高速运行期间需要的弱磁电流比较小,所以效率会高很多。常规的IPM电机存在比较大的低效率区间,尤其是弱磁工作区间。而在我们HSM电机上,基本上能做到效率为90%及以上的高效区,能占到百分70%的比例。

此外,选择电机的极对数至关重要。在一个圆周上,如果极对数比较多,每一极承受的磁密压力就会稍微小一点,磁力线就会稍微少一点,对提高电机设计的密度大有帮助。目前主流的电机极对数是8级,客车领域因为做直驱一般是14级—16级,以8级的电机和10级的电机相比,消耗的材料会减小,效率会有提升。

极对数提高之后运行频率会提高,假设载波比在同样的控制水平下是固定的。如果运行最高频率要做到1200Hz,按照1:10的载波比,载频要做到12KHz,对乘用车模块是可以承受的;但是对于商用车高电压、大电流,没有哪一款电机控制器可以长期工作在12KHz载频下。此外,车辆工况变化大,不会长期满载,所以载波率小点。大众项目的要求电机转速是1.6万转每分钟,意味着载波频率可能要做到15KHz左右,这样对模块压力就更大了。

针对这个难题,我们的专利技术——软开关的技术就起作用了。

软开关技术可以使电机在开通过程中有电流没有电压,在关断过程中有电压没有电流。我们现在开发中的24KHz开关频率的电机控制器就是采用软开关技术。未来电机转速可能做到2万转每分钟,开关频率肯定也越做越高,同时又希望电机极数多,这是一系列难题,而通过软开关的方式是可以解决的。而且这种方式电磁兼容性还可以做的非常好,因为没有额外的功率去发射。大家知道今年上半年,很多汽车厂商和零部件厂商齐聚在襄樊解决EMC的问题,我们基本上一天一个车型,上百个车型都是一个多月时间通过的。我们也看到一些同行把整个电控电机这个用铝箔包起来了。在标准车型上要想办法把这个指标做好,这才是一个硬工夫。

技术先进性

在模块方面,我们从传统的HP2模块过渡到双面水冷模块,未来可能过渡到DBC模块,随着模块技术的发展,现在我们采用的内冷的模块体积大概能缩小15%-20%。随着碳化硅技术的成熟以及成本的降低,未来我们的控制器体积还能大幅度缩小,成本也将呈下降的趋势,届时希望汇川会在国内率先推出这样的电控产品。

在电控的功率密度方面,目前市场上销售的主流产品峰值功率密度大概是18KW/L,而汇川“玄奘”可以做到28KW/L,采用双面水冷的模块功率密度可以超过30 Kw/L,未来碳化硅技术甚至可以达到35 Kw/L,并且汇川还有许多先进的生产工艺,来提高产品的功率密度。

在损耗方面,目前我们采用的是硅的IGBT+碳化硅的二极管组合,采用碳化硅二极管可以使损耗大概下降27%,未来如果把IGBT和二极管全部换成碳化硅,可使损耗下降50~60%。

汽车在某些工况下会有一些抖动,我们采用了主动阻尼技术,通过软件算法的方式消除汽车抖动, 提高了驾驶的舒适性和安全性。

我们的HSM混合式电机相比同类型产品也有很多优势。我们的动力系统,无论是在制动的时候、电动的时候,都能满足动力加速需求,特斯拉是将异步电机的储备功率做的足够大,将所有需求区域包含进去,也能保持持续的加速性。而设计良好的HSM电机,基本上车速在220公里/时,输出功率是基本不衰减的,但是相比特斯拉方案,电机体积大为减小。

我们还有一些生产工艺,来提高电机的功率密度,比如采用发卡绕组,线和线之间几乎没有缝隙,槽利用率可能就会比较高。还有一个就是采用蜂窝型技术,通过机械挤压的方式,把线经过强力积压形成蜂窝形,等等。

除了电机控制器,我们还有一个非常好的产品——车载充电机。这款充电机是BRUSA给奔驰Smart开发的,它是全球功率密度最大的一款车载充电机,重量只有11公斤多,像smart这样的车上都能放的下去,成本也做的也很便宜。在新能源推广过程中会面临基础设施不足的问题,使用车载充电机可以减少对基础设施的依赖,而且可以少装电池。某些情况我们没有必要使用大功率充电机,并且快速充电对电池寿命是有影响的。

此外,我们公司做的DC/DC和国内主流的也不一样,它是可以双向充电的,既可以从高压电池组把这个电变成24V,也可以把24V的电变成高压,给逆变器做上电缓冲,这样逆变器里就不需要加电缓冲了,从而可以降低汽车成本。

目前全国已有6万多辆新能源客车/物流车配备了汇川的电机控制器,这个数字在世界范围内也是名列第一的,近年来我们也吸引到了MAN和SCANIA这样知名的国际合作伙伴前来深入交流,接下来汇川联合动力还将继续深度参与国际竞争,力争成为“中国的博世”。

汇川技术电驱动无惧极端工况:

更多内容请访问 深圳市汇川技术股份有限公司(http://c.gongkong.com/?cid=49158)

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