新能源汽车800V高压电驱系统降本路径分析与最新实践
珠海英搏尔电气股份有限公司专注创造奇迹执着成就梦想 CONTENTS目录/ 1新能源汽车电驱系统发展趋势 800V高压电驱系统降本路径分析2 800V高压电驱系统降本实践3 关于整车开发的一点思考4 新能源汽车电驱系统发展趋势 电机发展的主线：轻量化、低成本、高效率 轻量化发展的主线：高速化，目前产业化最高转速18000rpm左右，下一代可能达到30000rpm；高速化伴随着高电压化 低成本发展的主线：充分利用磁阻转矩、减少永磁体尤其是重稀土用量（转子）、铝扁线、铜包铝扁线（定子） 高效率发展的主线：异步变永磁、圆线变扁线、水冷变油冷或者水冷+油冷 MCU发展的主题：高效率、低成本、高可靠性 高效率发展的主线：SIC/GaN替代SI、变电压控制策略（BUCK/BOOST\电池串并联变化） 低成本发展的主线：提高功率密度、减小体积重量 高可靠性安全性发展的主线：散热方式革新(双面散热、低温银烧结、低温真空焊接）；功能安全 动力总成发展的主题：轻量化、低成本、高效率、Z向高度低轻量化低成本发展的主线：电机与减速箱共壳体、共端盖、共轴承、电机与MCU共壳体高效率发展的主线：缩短或者取消电机与MCU连接导线、电机与减速箱采用油冷Z向高度低的主线：电机与MCU共壳体、MCU扁平化设计 电驱系统发展趋势-多产品综合设计与集成能力 ◆多合一电驱动系统已经是行业公认的发展方向，其次是更高的集成设计。 ◆电机、电机控制器、减速箱新的技术和材料的应用。◆动力总成实现平台化产品生产体系，涵盖所有新能源乘用车车型。 电驱系统发展趋势-产品可靠性设计验证 800V高压电驱系统降本路径分析 800V高压电驱系统降本路径1—结构创新 1、技术难度较大2、工艺难度较大 1、轴承与润滑技术 （1）脂润滑：陶瓷轴承（2）油润滑：与油冷的结合（3）悬浮轴承：空气/磁 2、转子机械强度 （1）嵌入式永磁转子边沿强度难以满足高强据要求，增加纤维套是一个完美的解决方案，兼容效率、强度与安全性 （2）异步电机鼠笼转子铜转子铝转子 800V高压电驱系统降本路径2—电机高速化 3、轴电流 正常情况下，转轴与轴承间有润滑油膜的存在，此油膜有绝缘的作用。对于较低的轴电压，润滑油膜仍有其保护其绝缘性能。当轴电压增加到一定数值(尤其在电动机启动时，当轴承内的润滑油膜尚未稳定形成)，轴电压将击穿油膜而放电。轴电流由转轴经轴承放电，因接触面积小，在瞬间产生高温，使轴承局部烧熔。 专注创造奇迹执着成就梦想 800V高压电驱系统降本路径2—电机高速化 4、效率问题 (1)由于汽车轮端直径无法大幅减小，最高车速已经确定，电机转速上限已经确定；(2) CLTC系统效率在变速比超过12后明显下降；(3)除非两档箱，否则转速超过18000rpm的意义不大。(4)电机高速效率深度弱磁，效率太低(5)高速化带来减速箱NVH与成本的大幅上升。 电机无节制的高速化是伪命题 800V高压电驱系统降本路径2—电机高速化 5、控制问题 MCU高开关频率及高性能控制技术 （1）采用SIC MOS或者GaN（2）CPU的速度足够快，电流环运算速度加倍（3）EMC技术(4) NVH (随机变载波、高次谐波注入） 800V高压电驱系统降本路径3—电驱系统高压化 纯电乘用车目前成熟量产系统主要采用400V系统，通常包括：电池、电机、电控、充电机（OBC）、高低压转换器（DC/DC）、高压控制盒(PDU)、连接器及线束、电机/电池热管理相关零部件。 为了进一步解决同等功率下，当电压从400V提升到800V后，工作电流将降低一半，进而线束截面积、功率损耗均有下降。国内车企目前纷纷跟进800V高压平台架构。对于电动车来说，高压化可大大减少同等功率需求条件下电驱动系统内阻的损耗，提高高速系统效率，继而可进一步减少达成同样续航里程条件下的电池电量，减少电池成本的同时降低整车重量，另外，高压化还能提高充电效率，缩短充电时间，极大改善电动车用车体验。因而，提高电动车整车电压至800V，甚至是1000V+将成为行业发展方向，尤其是商用车。 高压化电控功率器件成本上升，电机绝缘系统成本上升，系统成本下降不明显；电压越高，低速大扭矩效率会下降较多。 800V高压电驱系统降本路径3——电驱系统高压化 800V高压电驱系统降本路径4—电驱系统高效化1-扁线电机 1、采用扁线可以提高槽满率20-30%，在达到相同的功率密度的前提下，扁线电机的体积也会更加紧凑。 2、相比起传统的圆线电机，扁线电机能降低8%-12%的有效材料成本。如果再考虑给整车性能、电耗等方面带来的优势，扁线电机能将成本降低大约15%。 4、导线与导线间的接触面积大幅提高，因此散热能力会更强，过载能力会大幅提升。 从中期来看，扁线电机是未来驱动电机的发展方向。在具备诸多优势的同时，也同样存在劣势，比如设计难度、工艺制造难度。扁线由于工序复杂、精度要求高，通过人工制造基本不能实现大规模量产，必须依赖专业的高端设备。随着新能源汽车量产数量大幅提升、产品稳定期延长，扁线电机春天已经到来。 800V高压电驱系统降本路径4—电驱系统高效化2-SIC/GaN 800V高压电驱系统降本路径5—减速箱高速低成本化 1、轴承与润滑技术2、NVH问题3、材料机械强度与疲劳寿命问题4、加工工艺加工精度导致的成本非线性上升与低售价的矛盾问题 800V高压电驱系统降本路径5——减速箱高速低成本化 (1)高速化带来的NVH(2)加工难度与精度(3)低成本缺点：输出打扭矩存在不足 减速箱无齿轮化设计 专注创造奇迹执着成就梦想 800V高压电驱系统降本路径6—油液混合冷却技术普及 水冷系统：电动车电机常用的冷却方式之一，通过水冷套来包裹电机外壳，以达到降温的效果。由于水是导电的，所以不能和定子、转子直接接触。为了解决低温结冰的问题，通常会使用水和乙二醇一比一混合的冷却液，这样可以把冰点降低到-40摄氏度。虽然水冷系统结构相对简单，但是它的冷却效果由于热阻大，持续功率与峰值功率受限。 油冷系统：油冷系统的冷却油不导电也不导磁，所以可以深入到电机内部进行直接冷却，把热量从电机内部带出来！因为油冷系统的导热效率更高，所以非常适合高性能搞可靠性的电机。没有了水冷套的设计，电机可以做得更小一些，以实现轻量化。 800V高压电驱系统降本路径7—一体化热设计与热管理 1、整体热设计，包括电机、电控、减速箱、电池包，实现系统降本及能效提升 2、电机油冷散热与减速箱一体化设计技术，主动润滑，提高可靠性 3、热泵空调（可靠性有待提高）应用，提高系统效率 800V高压电驱系统降本路径8——提高可靠性降本 通过： 1、双面水冷技术（DSC） 2、氮化铝（AlN）陶瓷基板代替氧化铝（Al2O3）陶瓷基板 3、低温银烧结或者低温焊接技术 实现了功率回路的低热阻、高可靠性设计，相比传统导热硅脂压接方案： 1、热阻降低30-50% 2、节温降低20度以上，可靠性提升10倍以上 3、过载时间延长50-100%，对于商用车需求，成本大幅降低；对于乘用车，功率器件选型可以减小，降低成本。大幅延长功率循环的寿命。 质保条款：3年15万公里-6年30万公里-8年60万公里 800V高压电驱系统降本实践 800V高压电驱系统降本路径1—结构创新 高度一体化集成 1、电机与MCU完全集成，大幅降低了Z向高度，适用于后驱动布置，可以统一前后驱驱动平台，降低车企供应链成本2、电机端盖与减速箱共端盖设计，降低重量10%左右； 3、无电机引线，低速重载系统效率提升5-10%左右 130KVA/L 专注创造奇迹执着成就梦想 800V高压电驱系统降本路径1—结构创新 800V高压电驱系统降本实践2—电机高速化 1、P=T*N/95535,N提升1倍，T下降一半，主要组成永磁材料、硅钢片及铜导体成本也会下降一半，比如电机最高转速从9000rpm提高到18000rpm，减速箱变比加大一倍，成本降低50%。 2、目前电机转速泛高速化，达到30000rpm现实意义何在？采用单档减速箱，CLTC效率最佳两级减速箱最大变比不超过12，否则系统效率会大幅降低，得不偿失；另外泛高速化后，高速弱磁损耗、涡流损耗都会大幅增加。除赛车外，高速公路限速120km/h，考虑做高限速144km/h，如果超过限速50%就取消驾照，最高限速180km/h计算，轮边最高转速分别为2353rpm（R16)、2090rpm(R18)，减速箱变比按照12计算，电机最高转速分别为28236rpm（R16)、25080rpm(R18） 800V高压电驱系统降本实践2—电机高速化 800V高压电驱系统降本实践2—电机高速化 电机高速化带来的问题： 1、高速带来的转子离心力大，转子高速旋转时，冲片和磁钢都会受到离心力的作用。转速越高，在较大的离心力作用下，冲片体脆弱部分的强度可能超过其屈服强，其变形也可能会影响气隙变小，从而引起性能变化甚至扫膛； 2、高速轴承的选择 高速轴承dmn值等于轴承节圆直径与转速的乘积，通常dmn不超过2*10^6。另外可考虑采用新技术轴承，如空气、磁悬浮轴承、陶瓷轴承等，但在承载力、精密度、可靠性（轴电流800V更严重）、成本方面需要权衡考虑。 3、高速带来的绕组涡流损耗 在高转速/高频情况下，定子绕组产生明显的集肤效应和邻近效应，合称为绕组涡流损耗，尤其对现在备受青睐的扁线电机而言，绕组涡流损耗在高速时更需认真分析与对待。 4、NVH恶化 NVH是新能源汽车电机的重要技术指标。高速电机由于转速高，使得激振频率很高转速高也易产生较大的空气噪声。因此NVH是高速电机必须解决的问题，需要在电磁设计、结构设计、电机控制等方面综合考虑。 5、标定测试台架资源 高速电机的测试需要高转速的电机台架，高转速的电机台架非常昂贵，一次性投入大，维护成本高。 专注创造奇迹执着成就梦想 800V高压电驱系统降本实践3—电驱系统高压化 800V平台相较于400V平台的主要优势包括更快的充电速度、更高的能效、电池不易发热、车身减重，但成本也更高。具体来说： 1.充电速度：800V平台的充电速度明显快于400V平台，因为电压乘以电流等于功率，800V电压的充电功率更高，从而充电更快。 2.能效：800V平台电车使用的碳化硅元器件有助于提高电能效率，降低损耗；另外，电流减小，线损也会减少。 3.电池发热：800V平台由于电压较高，产生的电流较低，从而减少热量生成，这对电动车来说非常重要。 5.成本：800V平台相较于400V平台，功率半导体成本增加、BMS串联数增加成本增加、电机绝缘成本增加，线束成本降低不明显，整体成本持平或者更高，这也是其一个主要的劣势。 6.800V充电桩普及问题：2022年之前，800V桩比例很低，汽车厂家需要考虑自升压，实现低压桩充高压电池的问题，2025年，估计会达到或者超过50%。 800V高压电驱系统降本路径3——电驱系统高压化 采用高压MCU实现低压充电桩为高电压电池包充电技术 （1）低压桩充高压电池包（2）采用电机绕组，节省电感（3）缺点是电机噪音与转矩脉动 采用高压SIC器件的MCU实现低压充电桩为高电压电池包充电，开关频率高、低噪音、高效率 800V高压电驱系统降本实践3—电驱系统高压化 800V高压电驱系统降本实践3—电驱系统高压化 电机扁线化带来的效率提升（产品市场竞争力提升）、生产一致性与质量提升（成本下降），批量经济性进一步提升。 1、定子自动化产线费用大幅降低：由6亿——3亿——8000万——5000万——3000万 2、直通率大幅提升：95%-99% 3、生产节拍大幅提升：300s——150s——90s——60s 4、柔性产线推出速度与比例大幅提升：不同外径电机，更换工装夹具（200万左右）就可以在同一条产线上生产，大辐节省
