佳腾电业姜大伟:800V架构电机线材解决方案

NE时代

阅读 2952   更新于 2021-06-28 10:40:25

大家好,我叫姜大伟,来自佳腾电业(赣州)有限公司。 很高兴有这个机会和大家分享一下我们在电动车汽车电机应用领域上的产品和心得。 此次分享主题是“ 800V 架构电机线材解决方案”,简而言之大致分三个部分“ 800V 高压架构”、“电机线材分析”、“我们的解决方案”。

做 一下 公司介 绍,为了更好理解接下来的方案分析,佳腾电业公司成立于2006年,自创立即为扁线而生,专注从事扁平线的生产、制造、研发与销售,近几年我们在同电动车领域一些客户做交流时,客户不无关切地问: “为什么扁线你们从06年开始做,扁线电机不才是这几年的事? ”实际上扁线的应用非常宽泛,经过15年的努力,佳腾已经在消费类包括各位的手机,用的电脑、家电、空调、投影仪里面用的电感都可能会用到我们的扁线,在这个领域,佳腾公司从厚度0.02mm到截面积40平方毫米,做到了世界范围内唯一一家全尺寸覆盖提供商,并在多个应用领域取得了市场占有率第一的地位!

第一部分:800V已来,这里的800V主要是针对于我们说的电动车。以前我们把以马为动力驱动的车叫马车,以汽油驱动的车叫汽车,那以电驱动的是不是该叫电动车,新能源汽车似乎本身就是一个混动的叫法。目前我们看到多个800V架构已经在量产或即将量产,已量产的保时捷Taycan,22.5分钟可以充电5—80%,现代E—GMP架构,18分钟可以充到80%电量。同时我们关注到各大主机厂以及Tier1都在布局,并发布了对电压架构的路线图。2020年我们非常荣幸成功取得了采埃孚在吉利路特斯项目的独家定点以及宝马HEAT项目定点,搭载800V架构的还包括基于PPE平台的奥迪、保时捷Macnan,奔驰、理想、大众……,电动车在中国的发展早已按下了加速键,更多我们和客户交流的让我们看到800V已经来了,来得比我们预想更快,部分厂家已经甚至开始布局950V或更高压平台。800V到来后给我们带来了哪些挑战呢?作为一个原材料供应商,我们必须要关注我们的下游客户、终端用户的需求产生了哪些变化。第一,充电速度更快,高压是一个解决方案;第二,扁线电机大势所趋,第三,碳化硅技术应用带来的高频化,如此种种,新的的绝缘方案呼之欲出。

第二部分:电机线材分析,我们看一下电机这块的应用和线材、绝缘问题。这里面最大的两个核心是热老化和电老化,电和热是能量的一体两面,电能转化成热能,为了降低热量又采用水冷、油冷,于是又带来了新的挑战,耐水、耐油,我们今天主要谈的是在电机应用,电机的绝缘涵括很多范畴。从电机定子到转子,今天聚焦的话题是电磁线。目前电磁线在电动车电机的应用主要采取几种方案:第一,漆包方案,包括聚酰胺PI、PAI以及耐电晕的PI和PAI;另一种方案绕包膜;还有一种解决方案是PEEK,今天我们话题主要是在这方面,几年前我们在线材路线分析上也尝试过绕包线,但最终摒弃了,主要原因是膜厚控制、加工难度、成本、折弯潜在失效等,而且车载应用需要稳定的材料也多依赖于国外进口。最终我们决定研发PEEK线!

同之前的扁线应用相比,电机电磁线关注的性能有些变化,其性能要求主要涵盖几个方面:线材的基本性能,如铜材料的选择,电机焊接会存在多个焊点,选择合适的线材以防止虚焊和溅射的风险;另外机械性能、电气性能以及加严检测,冷热冲击、老化测试后前面基本性能、电气性能、机械性能有没有发生变化,衰减的程度。还有就是我们在客户端的一些问题,如清洗,即把绝缘线的绝缘层去掉,客户需要的只是铜材;焊接及浸渍漆、环氧树脂的兼容性、耐油性能等等方面。

林林总总说了这么多线材性能,800V应用最核心最苛刻的是什么?电动车自充电220V的交流电通过车载充电机到直流的800V电池,再从电池通过变频器供电给电机,变频器供电采用PWM技术,交流调速系统将直流电转化为交流电,产生了几个问题,一是绝缘的反向电场叠加,另一个是PWM波行波效应,电缆、电机、逆变器阻抗不匹配使反射波加之到电机端,一波还未平息,一波又来侵袭,理论上电机入波电压到2倍的工作电压。同时IGBT及SiC等高开关频率技术的运用,工作频率会达到20KHz及以上,据研究传统的变频和普通的工频,同样的绝缘电机寿命会差10倍。追本溯源,变频器供电电压的稳定性非常核心,有些厂家可以控制到1.5倍有些厂家做到1.2倍,对线材的挑战也会变低,但是我们的目标要将原材料做得更为稳妥,给电机设计的客户带来更大的设计裕度。

可以看到在800V电机采用高压、高频、水冷、油冷,从微观上看电机线材的工作环境犹如水煮油烹,这样一个恶劣的环境里,如何防止局部放电,避免电机寿命的缩短。如何提高线材的耐电晕性能,技术路线来看日本最早偏向提高PDIV指标,本土品牌更多是在耐电晕时间的指标要求,部分厂家提出了两个指标的性能要求。我们对比了PAI耐电晕、PI以及PEEK线这方面性能,温度上升后我们对比了PDIV的衰减情况,PEEK线衰减相对最小。这里是PDIV的峰值数据,三类线的衰减有所不同,表现最好的是PEEK线,耐电晕属性比较低,PI次之。再看下PEEK厚度和PDIV的关系,PDIV值同漆膜厚度成正比,和材料的介电常数呈反比,因此为了提高PDIV,可以增加材料厚度和降低材料的介电常数来实现,日本主流漆包线路线走的是降低介电常数,材料方面PEEK本身有比较低的介电常数,同时厚度层面上,由于工艺不同,可以轻松地实现厚漆膜。而漆包线工艺特点决定了实现厚漆膜需要多道涂覆,因此会产生热老化及机械性能问题。

再从耐电晕的角度看一下这个指标上我们有什么样的发现。通过PAI以及PI加入电晕层,主要成分为无机纳米粒子,由于无机材料介电常数较高,首先伤害的是无机纳米粒子层,从而对绝缘漆包层做到了有效保护,采用无机纳米粒子的耐电晕方案是比较传统也比较成熟的解决方案。下面这张表,我们对比了测试,现在看到实验条件1是国标,实验条件2是我们自己家故意把它的电压升高的,用苛刻测试条件表明,800V架构条件下采用PEEK线可以轻松达到耐电晕的要求。通过这些测试数据,我们可以看到提高耐电晕时间的两种有效方案,一个是提高PDIV值,一个是增加耐电晕层,日本的设计思路主要是采用提高PDIV值,增加PDIV值就好像是我们把安全距离扩大了,好有一比,普通流感原来属于一种温和的形式呼吸传染,变频供电让呼吸变得急促、高压让病毒的剂量加大,两种解决方式,一种方式是增加安全距离,你打不到我。第二个就是戴口罩的方式,你打到我,但是打到的是我的口罩,伤不到我的身体,“打不到”和“打不倒”----这两条思路。

再来看下其他性能,800V直流母线电压经过处理急剧放大,但是不管漆包线方案还是PEEK方案,对于击穿电压来说都是可以满足要求的。这里可以看到击穿电压90度折弯耐压的衰减测试,可以看到PEEK衰减程度,相比漆包线PEEK线的衰减更低,但漆包线方案一样可以达到耐电压这一个指标的要求。我们做了老化4x7天老化测试,PEEK依然是衰减最小的。这里分析了温度上升和BDV的关系,也是可以满足使用要求的。扁线还有两个核心指标,一个是可绕性,一个是附着性。800V电机测试的时候,又提出了不同的挑战,它的折弯半径小,且360度折弯,对折弯的要求更大。我们模拟1、2倍线宽,1倍线宽对线材的折弯性能要求很高,实验可见这三款线上都可以做到1倍线宽,但是BDV衰减各有不同。接下来是清洗测试,通过这个实验我们看到了几个方向。第一,低功率、高功率都可以完成清洗,漆包线在传统应用的清洗环节是非常成熟的,对于PEEK即使是用漆包线的传统方案一样可以去掉,但是需要的时间很长,我们试了30瓦,用了38秒。有些Tier1、电机厂已经开始布局兼容800V、400V架构电机生产的自动化生产线,我们也发现有些客户用的是物理去漆。此次激光发生器用的是红光,绿光的效率更高,但成本更大。我们也做过二氧化碳发生器清洗,一样可以达到效果。我们再看下现在比较苛刻的耐油测试,在这里感谢嘉实多和我们共同完成的测试,按照团标要求的测试,实验过程严格控制水分的控制,PEEK线有很好的表现,完全可以满足我们800V应用的要求。

最后我们试着基于上面的测试做一点结论,这里仅限于佳腾目前生产的产品目前的工艺。各线材厂家都不断提升自身产品性能,从耐电晕的PAI、低介电常数的PI、包括PEEK,我们也在继续加紧研发不断推出更优质的方案。看一下几种方案各自明确的优缺点,PAI耐电晕,成本比较低,但当电晕层达到一定厚度,在弯折性、可绕性上会产生很大的挑战,对制造的电机可靠性、安全性就有很大的挑战。PI的优点就是它在PDIV表现上未来有潜力可挖,且耐压性能也不错。对于PEEK线,各项指标都较突出且均衡,当下唯一给我们设计选择的障碍是它的成本,但是我们相信随着越来越多的Tier1、主机厂以及OEM厂推动使用这种材料带来规模效应,同时我们合作伙伴威格斯也在布局在华建厂,再加之我们线材厂家的工艺优化,成本下降也将指日可待,伴随着高压化的不断迭代,PEEK线终将会走到寻常百姓家。

此外,我们也在探寻PEEK线的其他潜在应用,绝缘结构是一整套系统IEC在绝缘结构体上分成了Type1和Type2,Type1是针对700V以下的对运行寿命期间和规定条件下不承受局部放电的绝缘结构,Type2则是对700V以上对整个寿命期间绝缘结构的任一部分承受局部放电,800V架构不只对电机线材,对充电桩、车载充电机、变频器都带来了很大的挑战,PEEK线的优异性能有望在这些应用提供更好的方案。

第三部分:我们的解决方案。当然作为原材料厂家,我们深知电动车还是新兴产业,各种新兴技术、世界和国家政策都会不同程度的影响着产业路线的变动,我们要做的是提供尽可能多、尽可能好、尽可能全的方案来赋能产业发展。这是佳腾公司对这个市场的判断以及我们对市场的定位。佳腾公司一直是依托于技术开发而不断发展壮大,公司每1-2年就会推出1到2款新品,在电动车市场的巨大风口前,我们同其他各大电磁线厂殊途同归却也异曲同工,从市场需求到设计研发再到市场应用。我们预判不久的将来电动车电机的中低端到中、高端电机分配比例将大概是这样,我们定位的市场在黄色部分中高端电机,为此我们推出了刚才一直和大家分享的三类产品,耐电晕、PI、PEEK。简单说下PEEK线的研发路程,三年来同威格斯及其他合作伙伴一起完成了从概念到样件再到量产的过程,佳腾公司可以提供从拉丝、压延、漆包、模具制作、样件、测试及模拟仿真全息式服务。绝缘材料的选择固然对产品的性能起到了决定性作用,但是线材的工艺控制、材料控制、设备控制也非常关键,绝缘性能符合木桶原理,最薄弱的地方就是产品的测试结果,一旦产品稳定性出问题就会对整个电机的寿命产生很大的影响,而线材不同于其他PCS BY PCS产品,必须将质量管控贯彻到过程管控里,这就需要依赖于高精度、可靠性稳定的在线监测,无论是尺寸、耐压、粒子控制,我们都实现了在线监测,并且可以采用双界面可视化展示及时介入。

这是我们部分合作伙伴,很多客户已经或正在和我们展开400V及800V架构的项目。大名鼎鼎的ASML也是我们合作多年的客户,用于光刻机的直线电机里,以优质、稳定的产品性能,我们不断建立同各领域领导企业的合作,也欢迎大家同我们联络,佳腾公司一定不会辜负您的信任!

最后非常感谢所有之前做出研究的专家们、同行们,站在巨人的肩膀让我们更好的找到了自己的方向,前面的很多测试和内容上得到了一些客户给我们的支持,还有清洗、焊接、耐油测试的合作伙伴,感谢我们的合作伙伴威格斯,感谢佳腾FAE及实验室团队,谢谢大家!

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