智新科技:新一代新能源驱动系统开发技术及应用

发布时间:2024-11-04 20:48   内容来源:盖世汽车   阅读量:9958   

对于汽车来说,安全就是最大的豪华,而在电驱动系统的安全领域,电控技术扮演着核心角色。2024年10月25日,在第十二届汽车与环境创新论坛上,智新科技股份有限公司研发中心电控开发专业总师王闻宇谈到,智新科技已顺利取得单电机控制器功能安全ASIL C级别的权威认证,并计划深入探索小三电融合架构下的功能安全新挑战。

与此同时,确保安全停车并非终点,智新科技更致力于实现系统的容错运行及全面的健康诊断与预警。对于位置传感器的容错需求,创新研发了无位置传感器矢量控制算法,能在常规工况下无缝切换,有效防止动力损失。针对主要功率器件的寿命挑战,研究基于结温预测和电容监测的预警系统,以期提前干预,延长器件使用寿命。

此外,为解决轴电压引发的轴承电腐蚀问题,已采用陶瓷球轴承作为解决方案,同时也在不断探索通过优化调制策略,来降低轴电压,进一步延长轴承寿命,甚至寻求完全替代陶瓷轴承的可能性。

智新科技股份有限公司研发中心电控开发专业总师

以下为演讲内容整理:

智新科技技术成果

电驱动总成方面,岚图知音凭借高达92.9%的高能效区间比,获得了中汽研“能效之星”的认证,并且在该领域内位居中国量产车型之首。此外,岚图知音还提供了宽敞的车内空间,其空间利用率超过86.7%。岚图知音还获得了C-ECAP白金牌的金银座舱认证,NVH的表现也同级领先。

为岚图知音整车产品力提供有力支撑的是智新科技研发的iD4系列新能源电驱动系统。该系统作为东风公司首款深度集成架构下的电驱动总成,展现了出色的兼容性与技术实力。它不仅兼容800V和400V两种电压平台,还兼容同步电机与异步电机,实现了高效率、高功率密度以及超静音等多重优势。在800V同步平台下,该系统的CLTC工况效率高达91.5%,功率密度超过3.25kW/kg,主阶次噪音在1米声压级下低于68分贝。

图源:演讲嘉宾素材

早在2023年初,在车型刚规划时,我们就和岚图深度协同,进行了产品的定义。我们分析了终端客户的期望,包括续航里程、购车成本、驾乘体验、动力性和智能化。岚图提出的整车需求包括效率高、充电快、舒适静音、安全可靠、动力强劲、具备智能化和自诊断的特性,同时成本要低。

据此,我们得出结论,动力总成必须做到高压、高速、高效、舒适、安全、智能,同时必须是一款经济的产品。一款要求如此高的产品开发周期只有12个月左右,并且这是一个系列化产品,里面共有4款。在我们的项目刚启动时,800V产品收到了一个通知,说量产的时间要提前2-3个月。由于我们的电驱动总成是深度集成的架构,这决定了我们一旦出现问题,其质量成本会进一步提升。为了平衡开发速度和质量,我们决定优化开发流程和体系,把验证过程向左移,大幅度提高仿真在开发中的占比,同时大幅提高了早期评审的密度。

电磁方案是电机设计的灵魂,为了获取最优的电机方案,我们建立了基于CLTC循环工况的综合效率仿真平台,在该平台中不仅能综合考虑效率外特性,NVH等因素,还可以把电机和电控进行联合效率仿真。

我们采用了一种基于响应面的多目标优化算法,这个算法里可以得到最优解的前沿,这个前沿代表一系列方案,从这些方案中优中选优,最终我们从大约5000-6000个方案中选出了最优的设计参数组合。通过这些方法,我们有效降低了电机的铜损和铁损,单电机的实测效率最高超过了98.1%,CLTC的工况效率超过了96.5%。

电控方面,我们采用了自主设计与量产的高压碳化硅功率模块,该模块采用了深沟槽技术的碳化硅芯片,同时采用双面银烧结技术,该技术比传统的技术降低了20%的热阻,同时将芯片的连接强度提升300%。我们在四芯片并联的情况下能够输出360A的有效值,六并联的情况下输出480A的有效值,可以匹配最多260kW级别的功率输出。

故障保护是碳化硅驱动的难点,因为碳化硅的开关速度快、芯片面积小,一旦发生短路,保护不及时很容易就损坏了。为了配合这款功率模块,我们开发了专用的碳化硅驱动保护技术,通过混合关断技术实现了安全可靠的故障保护。同时,我们采取了优化效率的调制技术,首先通过DPWM技术,降低了30%的开关次数,再结合智能载频优化,最终实现了40%开关损耗的降低。我们还配合电机的电磁方案进行了深度的过调制优化,目前电压利用率可以达到105%,在高速循环工况下,可以降低电机相电流7%。

在系列优化的过程中,我们有一个深刻的体会,即没有最优的控制方法,只有最优的标定。在寻优过程中,最后一公里的工作经常都是通过标定来实现的。比如在探索过程中,我们发现过调制的系数提高以后,NVH效率甚至是稳定性都会出现问题,于是通过深度标定的方法解决,既能寻找到效率最大的扭矩曲线,也能找到调制深度、效率和稳定性之间的关系。通过这些协同优化,实现了单电控最高效率99.4%以上,比起IGBT器件降低了约60%的损耗。

针对机械传递损耗的追求,我们采取了一系列手段。首先采用最优的轴承预紧力,平衡了轴系合力,减少系统的变形发热,降低轴承的效率损失,同时通过合理的齿轮参数设计减少摩擦付。我们还开发了一种低黏度的新油品,通过精确的润滑技术降低搅油损失。此外还采用了齿面超精摩和低摩擦轴承等技术,最终在成本和效率之间找到了平衡点。

高功率密度层面,功率密度等于功率除以体积或功率除以重量。要提高功率密度,首先要在总成结构上做文章。传统的电驱动总成、电机、电控和减速器都有独立的外壳,它们之间的水道和油道需要独立连接。但在新一代电驱动总成中,我们通过深度的集成和设计形成了一体化全内置的循环结构,同时集成壳体轴承做刚度提升、热套变形控制,提高了总成模态和支撑刚度。

图源:演讲嘉宾素材

在液压油路和水路集成后,我们发现不再需要额外的油管和连接件,不仅简化了总成的外形,还可以进一步降低设计成本。通过这些手段,我们不仅实现了总成重量减轻7公斤,功率密度提升9%,还在总成的包络尺寸上有了很大优化。

总成架构上,除了一体化铸造壳体外,在电控部分也采用了多功能模块集成的复杂的结构设计。我们采取了灌封一体化电容和滤波器,直接把电容和滤波器都灌在支架上,配合驱动控制一体板,形成了高功率密度的逆变砖。在此基础上,我们还可以通过集成式的冷却水道,进一步集成小三电和油泵的控制部分,实现不低于80千瓦每升的功率密度。

通过这个逻辑融合,我们可以把小三电和油泵的控制和主驱动电机融合进来,进一步提高系统的集成度。润滑部分,我们采用了可变液面和分层润滑技术,集油盒在高速运行的时候集油,既降低了液位、避免搅油损失,又可以通过油道给轴承提供润滑。

我们还采用串并联油路的精确润滑技术,通过主动泵的润滑,可以不受限于系统的工况,总成不论是在正转、反转,甚至左右倾斜的情况下都能够精确的把润滑油送到其所需要的地方。我们采用了智能流量控制技术,根据系统的各种状态,如转速、功率,调节电子泵运行情况,能够把系统的温度和效率都控制在合理水平。

在提高功率密度的过程中,结构设计和热设计常常是矛盾的。对此,我们建立了一个涵盖电机、电控和减速器的热反拱平台,在该平台上通过离子法和多相流的CFD仿真技术,能够精确预测流体的散热能力,评估冷却方案的设计效果。

仿真准不准,不仅取决于建模的水平,还要通过实验进行校正和验证。我们建立了行业领先的电驱动总成热测试平台,通过无线遥测实现了转子温度的测量。之前在转子温度测量时,要么在静态的状况下放测温线进去,或在运行的状态下,用开洞或通过布置测温纸等方法,但这些方法在深度集成的油冷架构下难以实现。对此,我们用了无线遥测技术,通过无线传输将能量输送到转子,并将转子上的测温信号再传输出来,这个测试相当稳定和精确。

在此基础上,我们通过整车动力学仿真和下标测试,识别了非常丰富的热测试的运行工况,建立了丰富的总成温升数据库。结合仿真平台,实现了对于总成热稳定边界的精确估测,其中转子温升的估测误差不超过5摄氏度,甚至可以取消电机的温度传感器,通过在线温度的估算实现电机热控制。

项目最开始时,我们计划采用业内比较成熟的电子喷油环结构,但由于为我们的仿真能力非常强,很快就实现了方案的迭代。一开始采用多种冲片旋转叠加构成电子外表面油道的方式,这种方式能让冷却油通过电子外表面的油道,实现喷淋冷却。后来我们发现仅仅用一种冲片就可以把它继续优化。

我们在此基础上进一步优化,从电子表面开槽进一步升级成电子铁芯内部的油道设计,这样可以进一步优化定子铁芯和外部壳体的接触。转子方面,采用内置冷却的方案,通过空心轴、隔磁板和转子铁芯内部构成一个油道,实现高水平的冷却。最终,我们的电机温升比起第一代的方案降低了14度,持续功率提升了20%。

高舒适性层面,电驱动总成的舒适性主要表现为NVH的特性。很多人都认为NVH是玄学,之前我们也是这么认为的,当时工作的重心主要在测试和整改上面,出现问题再去分析原因、整改。随着开发周期缩短、质量成本上升,这种方法不再适用。我们集中力量攻关,实现了NVH开发工作的前置。当前的开发流程中,我们已经能够实现对整车目标进行零部件级别的分解,并通过仿真和测试进行快速迭代优化。

仿真方面,我们建立了一个涵盖电机、电控、轴齿、电驱动总成的NVH仿真平台,在这个平台中首先通过对电机和电控建模,仿真电机的电磁力,并分析电磁力在时间和空间维度的表现。同时,我们建立了轴齿模型,实现了对于轴齿啮合力的计算和分析,并且可以将它们映射到电机的定转子。针对外轴上传来的外部冲击,我们建立了传动链间隙情况的模型,进一步提高了轴齿载荷的分析精度。

我们把上述因素共同作用在总成的结构模型上进行仿真,得到的结果就可以提示我们,哪些地方是声音辐射的主要区域,哪些地方需要进行结构加强。再结合多目标参数的优化技术,就可以得到总成结构的优化方案,包括轴齿方案,声学包裹方案,甚至能够指导电控软件进行工作。

NVH的仿真也需要靠实验进行检验和校正,我们建立了一个电驱动总成的NVH实验平台,可以实现电驱动总成的台模NVH测试、模态测试和总成ODS测试,通过整车NVH评测进行最终的闭环。

大家认为NVH是玄学的另一个原因在于状态的不确定性。比如命名开发的时候样机状态非常好,但到了量产就会有问题。针对这种问题,我们正在尝试把总成测试结果和零部件制造参数联系起来,通过大数据分析其中的联系,再进一步优化设计和轴承控制。在这些仿真和测试平台帮助下,我们很快实现了全方位的NVH优化。

电磁方面,通过结构和电磁方案的协同优化,针对主阶次进行了优化,相关阶次噪音能降低50%以上。控制方面,我们采用了开环和闭环结合的斜部注入方案,可以实现常用转速的全覆盖。针对开关噪声,采用随机载频的方案,相关噪音可以降低10-15dB。我们通过优化机械盒的结构,改善噪声,降低低频道声,所有措施加起来实现了主阶次一米声压级低于68dB,达到了行业领先水平。

新技术探索

技术进步是无止境的。除了之前在量产中用的技术外,我们正在探索新技术。针对客户系统效率极致追求的场景,我们开发了输出断开的手段,探索了各种方案,有些量产的基础好一些,有些能从外面找到现成的供应商,目前还在进行优化的方案选择。

高功率密度扩展方面,我们正在探索异构铁芯技术,通过提升电机转速,进一步提升功率密度。我们采用960兆帕的硅钢,可以在不依赖碳纤维转子包裹的情况下,把电机的最高转速提升到24000转,同时将电机的定子分瓣,采用高性能的硅钢片。在这些技术的帮助下,我们可以把最高效率提升0.2%,功率密度提升10%。

电驱动总成的安全主要靠电控,我们目前已经获得了单电机控制器功能安全C级别的产品认证,接下来会进一步探索在小三电融合控制架构下面的功能安全问题。在功能安全架构下,大部分场景都要求实现安全停车,但仅实现安全停车是不够的,我们还要做到容错运行和诊断预警。针对传感器容错控制的问题,我们开发了无位置传感器的控制算法,可以在常用的工况下做到驾驶员无感切换,避免动力中断。

针对主要功率器件的寿命问题,我们正在探索基于功率器件结温和容值预测的预警机制。针对轴电压造成的轴承电腐蚀问题,正在采用基于陶瓷球和导电刷的方案。我们也在研究通过调制策略的优化,降低周电压,延长轴承寿命,探索能否进一步取消陶瓷轴承。

智新科技介绍

智新科技前身是东风电动车辆股份有限公司,这家公司成立于2001年,可以说是中国新能源汽车事业真正起步的地方,因为当年国家863重大专项就落在这里。2022年,原东风雷诺和原智新科技进行战略整合,新公司名称采用了智新科技。2023年,东风乘用车的业务并入智新科技。现在我们公司的架构和弗迪动力非常相似,可以提供纯电、混动、增程、传统动力全部内置化研发和设计能力。

我们的动力总成有一个统一名字,叫马赫动力。马赫动力品牌覆盖油动、混动和电动的全部领域。马赫这个名字的含义代表动力澎湃、超强驾控、高效环保,给用户带来愉悦的驾乘体验。我们的产品平台包括马赫G、传统动力总成、马赫MHD混动动力总成、马赫E、纯电力总成。

近5年,我们已经累计向客户提供超100万套动力总成,到今年年底或许可以超过200万套。

东方风起,科技跃迁,智新科技愿意与上下游共同发展,全力打造创新发展新格局。

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