北汽新能源梁亚非:电驱动系统评价、规划与关键技术

NE时代

阅读 1564   更新于 2021-06-28 09:13:57

今天我讲的内容有三块,第一块讲一下动力总成从车企的角度如何说它好和不好,如何评价它的竞争力强不强; 第二块讲一下北汽新能源对于动力总成的规划,我们,要干什么样的总成; 最后讲一下800V高压架构的相关关键点。

北汽新能源是国内第一家真正独立专门做新能源汽车的车企,也是国内第一个独立上市的车企,迄今为止发展了12年。到现在为止经过了几个阶段,第一个阶段通过国民车把规模迅速做起来,第二个阶段通过EU系列把整个品质向上做起来,当下第三个阶段通过ARCFOX品牌实现品牌向上,为消费者提供更好的出行选择。

动力总成的竞争力

说白了就是什么总成是好总成,这个就是老百姓要什么样的车这是他们的需求,折射到整车的需求,整车需求提出到底要什么样的总成,满足这个指标就是好总成,当然这个指标不是唯一的。北汽新能源制定了一个评价体系,在不同的应用环境里面我们对于同一个总成评价是不一样的。通过续航、安全性、动力性、操控性、舒适型、便利性六个方面对动力总成进行评价。B级车和A级车评价总成肯定是不一样的,具体权重是不同的,评价体系还会对很多场景进行分析。举例,续航在总成评价里面是与NEDC效率相关的,通过关注在不同的SOC下的NEDC效率,因为电压是影响效率的,我们把这些指标通过一个权重系数衡量出在这款车里面综合评价这个总成好还是不好。当然换一款车当然结论就不一样了,因为权重系数不同了。

北汽新能源的动力总成有几个大的特点:高集成度,这是我们整个行业发展的总成的趋势。高功率密度,这是在高、中压平台下实现的三合一的总的功率密度;高效率,永远没有极致越高越好,这是总成的效率以及NEDC工况的效率;低噪音,这是当前的新需求,想用更少的钱更小的尺寸实现更好的功率,这就会挑战NVH,这也是当下的热点和难点。

下面分别说一下这几个特点:

高集成度:北汽新能源从早期开始做,10年前那个时候的电机比较大,而且电机电控减速器都是独立的;后来开始集成,我们把电控控制器、DCDC、OBC、PDU做了一个PEU集成,后来又把PEU集成和电机、减速器做了一个六合一,我们也是国内比较早做的,PEU的量做了几十万台。总体来看核心的指标效率一直在提,功率密度一直在提,NVH一直在提,最高转速也一直在提升,十年前谁的车用主驱电机做到一万转都比较有领先性,今天乘用车住区电机最高只能做到一万转就已经有点LOW了。这些核心技术指标的进步也取得了客户和行业的认可,譬如2020年汽车工业的科技进步一等奖就是对我们过往技术水平的认可。

高功率密度:这是我们在高功率密度的几个实现路径,高压架构、油冷系统可以提升整个功率密度、然后都开始聊的双面水冷模块,扁线电机已经产业化了。

高效率:提升整个动力总成的效率是所有的从业人员一贯的追求,这个没有止境,最高到100%。整车厂谈效率,一般关心工况效率,这个直接影响了整车能耗降低多少。而影响整车工况效率的有两块:第一块效率MAP图好不好,取决于你的总成做的好不好;第二块是工作点运行区间,就是NEDC/CLTC这些点到底在哪,在高效区当然好。这个工作点的落点在哪里,其实是说你的总成用的好不好。

整车端要把效率提升,一个方面是总成效率提升,即把总成做好,第二个是系统匹配做好,即把总成用好。

总成效率提升有三个大的方面:第一,材料,你用碳化硅用更薄硅钢片都会提升效率,第二,设计,降低油量,齿轴优化,软件各种各样的精细标定都很关键;第三,匹配,根据不同的电压平台,熊做优化匹配,有助于总成效率的提升。

系统匹配做好主要是指两点:一是指高效区往NEDC/CLTC工作点上靠,设计做好些,高效区可以往工作点上靠一些,另外电机做小点也会有助于高效区往工作点上靠,但不一定整体动力性好;第二是指NEDC/CLTC工作点往高效区上靠,主要两方面,一是让车更重一些,当然这不是好方法,毕竟整车轻量化也是一个很关键的发展方向;第二个,是减速器速比的调整,整体速比变化之后所有的NEDC落点发生变化,让效率相对提升,当然速比不能无限调,需要有一个合理区间才是对有助于提升效率的。

下面讲从设计上怎么把电机的效率做好。核心就是如何把损耗降低。分别针对铜损、铁损做优化设计,以及不同损耗之间的占比分析,通过优化可以让整个系统的高效区发生变化,可以让整个电机高效区尽量往左下角移,这样NEDC的落点会比较好。新能源有50万辆车在跑,我们一直在通过大数据分析这些用户实地跑的工况,我们基于大数据的实际运行工况,看到底这个电机应该往哪优化,才是老百姓真正跑车时需要用的工况。

另外通过整体的高磁阻转矩占比设计也是有异的,一是成本低一点,第二个通过控制可以让整个的性能稍微变得好一些。 同时从电机优化设计的方法论上也做了很多的关注,主要关注动力、效率、成本、重量。 整个设计必须要满足动力性,这是整车VTS指标; 效率越高越好; BOM成本,重量也很重要,但是相对来说前面三个更重要一些。 把这些需求放到整个系统里面进行多轮的迭代,看哪个方案最能够相对符合功能需求。 通过这一系列的功能,为了实际整车工作的点能够往高效区里面离的近一点,这样整车的效率就会更好一些。

这里展示的是北汽新能源这十年来随着新车型的推出,效率的逐渐提升情况,这必然有新技术新材料的应用,不会平白无故的提升。早期我们做异步机变成同步机,更薄的硅钢片,再后面没有大材料的变化,后来三合一做到87.5%,碳化硅整体效率可以再提升。你只有通过新的技术,新的材料,新的方案应用效率才会更高。

NVH,从整车设计的时候就得提出指标进行分解,分解成电机、减速器的指标,再进一步分解成模态指标等,分解完之后通过一些技术来实现对应指标,包含设计方案,如转子斜极、不均匀气隙等,以及工艺方案,如转子灌胶等,最后再通过谐波注入等软件策略集成一起实现上面的指标,总成方案实现之后进行测试验证,先从零部件级别进行测试,入相关模态,相关的齿轮本身的状态,谐波电流,接触斑点等再到做整个总成NVH的评价,譬如1m法80dB等,最终的结果是整车的主观数据。评价NVH好不好还是靠NVH的主观评价人员,靠终端用户。

动力总成产品规划

这个图是一个展示2019年的车型的价格和销量和功率,横轴是售价多少钱,纵轴是多大功率,气泡是销量。可以看到20-25万,气泡比较小。今天,得益于整个自主企业B级车大量增多,20-30的气泡明显增多。

我们认为车分了三类:第一类车5万块,当然也包含更便宜的买菜车,满足需求就好,你说动力性太强我不要,因为我不想花多大的钱,只要动力性能满足整车的需求就可以。这些气泡都很密集因为他们的需求几乎是一致的,车重都差不多。第二类车高性能车,这块功率很分散,从200kW到400kW甚至700kW都有,这块就一个关键:满足整车动力的竞争力,可能这个车要4驱3秒,那个车2驱要6秒,要看整车把动力性定义到了什么级别,到底是超前还是平均还是入门。第三类车,中间这块功率级别80kW也有,160kW也有,这是我们认为电动车要重点突破的一个市场,售价10万到20万,这是人民大众买的最多的一个车,A0到A+级车。80kW很多是给出租车的,出租车动力性不需要特别强,80kW、90kW有好几款热销车型。120kW特别多,是对于A级车比较好的功率的定位,上面还有大的气泡160kW的级别,是说有些A级车希望动力性更强一些。从A0到A+级,整个策略是差异化的,你要让你的功率能够符合车的需求。

根据竞争策略我们的动力总成是这样定义的:三个平台,第一个是大平台,160-250kW,满足高功率的需求,满足高性能的需求,里面有高压、中压,高压给高端车型做,异步机也要考虑;中平台80-140kW,2000-2700牛米,给A级和A+级车型准备的;小功率不做多,就要一款匹配整个A00的市场需求。这块是我们怎么做这个总成的原则:平台化、模块化,譬如通过把冲片叠厚加长增加电机的功率。

800V动力系统关键技术

为什么要做800V的高压架构?第一点提升动力性,因为我们平常说一般的400V的架构功率需要200kW就已经极致,但是用800V做300kW更高。第二点对整个充电性能的提升,这块是比较显著的。同时我们还要考虑超充,一般是说电流比国标250A更大电流的充电桩。使用高压充电功率一定高吗?还真不是,取决于你的电池。如果说你这个电流已经很大的情况下,因为电池内部有一个充电倍率,电压提升了,总的能量不变的情况下,Ah数降低,总的功率是不变的,因此使用超充的时候电芯不改用不用高压都没什么区别。要想在高压里面做超充做好一定要改电芯,但是这个东西会提升电池成本。

做800V高压架构,一定要回答的问题是说做高压省钱不?这个分了两种情况,第一假设我们都不做超级充电,性能都是一般的车。我这个成本只写了几个大系统的占比,电池系统、充电系统、线束系统、高压附件、动力系统,电池系统,电芯没有太大的变化,对应的采样电路和电池结构就会复杂稍微多花一点钱。充电系统,全新开发,自然贵,这个要花钱。线束系统随着电流的降低会便宜一些。高压附件,如空调,电池加热这两个系统重新开发成本必然高一些。动力系统可以便宜一些,假设整个动力性不变,在中压可能转矩大一点,功率小一点,变成高压之后功率大一点,转矩就可以小一点,这样等于说总体的动力性是不太变化的,或者说零到一百加速度不变。电机的成本主要和转矩的关系比较大,而不是功率,转矩少点能省钱,这块能相对的省一点。如果不做超充,整体的成本持平,略有微升一点。

但我觉得既然做800V高压架构了,不把充电系统的性能充分发挥出来,实现超充性能,譬如15分钟实现30-80%SOC的充电性能,多花钱做高压干什么呢。所以做800V高压架构,就要把超充性能发挥出来,对应的成本也会增加。

再讲做800V高压架构的另一个关键问题,高压效率高不高?有一些信息说高压可以让损耗降低一半,听到之后我也觉得这个说法很神奇。这个效率就看电机和电控,总体来说假设电压升压,铜损几乎没有变化,铁损也是类似的。损耗不变,效率会变吗?最高高效点几乎没有变化。对应的高效区会变大,因为功率变大之后,在高速那块的高效区的占比会提升,可惜那块提升都是在高功率区,你对应的NEDC/CLTC的效率确没怎么升,就算升0.1%、0.2%就挺好的了。

电控要讲两个不同的概念,升压到底对电控好还是不好先看从多少升到多少。假设模块不变,从300V到400V,电压增加了,电流减少对控制器是好的,效率能提升,当然提升的也不会特别明显。因此我们也建议你在选择电压时,尽量让电压稍微高一点,高对整个系统的动力性和经济性是有好处的,拿一个750V的模块设计一个200V母线的系统可能有点浪费,当然要考虑整个架构。从400V到800V模块必然变,模块的性能不一样,IGBT耐压从750V导通压降明显升高,导通电阻明显升高,我们测试的结果效率想持平都挺难的。所以800V高压架构会让动力总成效率提升吗?我觉得还真未必,不降就不错了,这块一定要小心,别觉得这是一个特别好的事,实际情况是效率不一定提升,而且大概率会降一点点。

在800V高压架构中,一般均使用SiC方案,碳化硅的挑战很多,寄生参数要优化,短路保护很麻烦,EMC不好搞,高频控制等都需要关注,另外模块封装形式的问题,到底是HPDrive封装,还是塑封单面/双面冷却,或者是TO247单管或者其他定制封装等等。还有成本,尽管从整车端考虑应用碳化硅对于整体效率的提升之后,降低电池成本的这个账就算能算平也是刚刚持平,甚至电池如果不够多也不好持平。不要想着碳化硅能立即带来非常大的经济收益,带不来很大的经济收益,只是说整车端亏损不是特别大。100度的电的车型稍微好一点,要是60度的电的车型这个账不好算。但是还是要搞的,不管赔钱赚钱,至少亏的不厉害还是要搞的。

碳化硅的效率我们也很苦恼,好多公开宣传说这个效率可以提升很多,NEDC我看到很多数据3%、5%,还有更高的7%,我们怎么测都测不出来。后来我们看到,在不同的总成,有提升2%的,好的有提升3%,仔细分析MCU的NEDC的效率96.5%,再提到98.5%,提升2%,所以说在一个好的电控的基础上,仅通过电控通过算法软件各种优化有2个点也就很好了。

当前,充电桩还是有一定的比例是500V,升压不能说不管这个充电桩的需求了。有三个方法,外置升压装置,第二外置电感加MCU单相三相控制,第三个电机电感加MCU三相控制,里面还有专利的问题。

讲一个小的技术细节,去年刚出台的安标的规则里面有一个电容能量0.2J,之前我们不太在意,但在800V高压架构里这个是不容易的,高压四驱两个电控都按800V来算,Y电容极限值只有312.5nF,要提前规划提前想。我们为了充电性能的大幅提升而考虑800V高压架构,但是很难,而且经济收益不明显但是要做,因为充电性能的提升确实很明显,也能解决当前的用户痛点。800V高压架构,北汽新能源投入很早,产业化也是最快的,今年年底与华为合作的ARCFOX αs HI版上市,更高动力性,更好超充性能,更好出行体验。B级车使用800V高压架构对整个性能的提升还是非常关键的,因为能满足人民对美好充的向往。

总结一下,什么是好总成,续航、安全性、动力性、操控性、舒适型、便利性等总的评价机制,在当前车型对应的权重下的总分数相对高就是好的总成。

高集成度,高功率密度,高效率,低噪音是动力总成的发展趋势,也是北汽新能源动力总成的特点。

800V高压架构困难很大,但是我们还得做,这是我们未来努力的方向之一。

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