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XPT蔚來驅動科技畢路:基于四驅EV的輔驅電驅動方案研究

   日期:2020-12-23     瀏覽:241    
核心提示:2020年12月3-4日,由蓋世汽車主辦,上海市嘉定區經濟委員會特別支持的“2020中國汽車動力總成電氣化國際峰會”在上海汽車城瑞立

2020年12月3-4日,由蓋世汽車主辦,上海市嘉定區經濟委員會特別支持的“2020中國汽車動力總成電氣化國際峰會”在上海汽車城瑞立隆重召開。峰會期間,XPT蔚來驅動科技EDS電驅動系統研發總監 畢路先生發表了精彩演講。

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XPT蔚來驅動科技EDS電驅動系統研發總監 畢路先生

以下為演講實錄:

尊敬的大會主席,尊敬的各位來賓,大家上午好!我是來自于XPT蔚來驅動科技的畢路,感謝蓋世汽車給我們搭建這樣的平臺,今天非常榮幸在這個平臺上就蔚來汽車在電驅動這個領域的研究跟大家做一些分享。

我介紹的主題是基于四驅EV的輔驅系統我們在過去一段時間內做的探索。我的報告分為兩部分,第一個是對XPT的公司介紹,XPT作為蔚來汽車在電驅動這個領域的開發主體,跟大家做個簡單的介紹。第二點是基于四驅EV 的輔驅系統,我們在電驅動方面都有哪些思考和解決方案。

2014年蔚來汽車成立,2015年作為蔚來汽車的三電系統供應商,XPT成立了。它的目標是打造一個智能化的電驅動平臺。圍繞著電驅動系統我們的產品包括電機、逆變器和變速箱。一類產品是感應電機系統,另一類產品是永磁電機系統,都涵蓋電機、電控和變速箱。包括后面獨立的感應電機、永磁電機,獨立的電機控制器和獨立的變速箱。同時我們也提供服務與咨詢。作為電驅動系統產品和解決方案提供商,我們首先是服務于蔚來汽車,但同時我們也向整個行業開放,包括我們電驅動產品,軟件咨詢,工藝制造開發的咨詢,和電子料的供應鏈咨詢,都是我們可以提供的產品與服務。

我們的研發在上海,生產制造是在南京,我們已建成產能中包含電驅動系統30萬臺年產能,電機控制器30萬臺的產能。

這是2019年整個電機的一個裝機量的排名,2019年總共是4萬臺,排名是第9。因為蔚來汽車是做相對來說高性能的車,所以在150kw以上我們是排名第一。2020年也是得益于蔚來汽車的銷量上升,整個XPT的裝機量達到第三名。XPT在2019年和2020年所有的裝機量都是供給蔚來汽車。

這是2020年截至到11月份累積的裝機量7500臺,因為蔚來的車有前后兩個電機,同樣所有都是供給蔚來汽車。

接下來重點介紹一下我們在輔驅電驅動方案的思考,分為這么幾個部分:

第一部分是我們在輔驅應用的場景,主要是四驅電動車應用場景的介紹;第二部分我們從整車應用的角度來說,看一下對于輔驅系統的需求是什么;第三部分是介紹目前市場上對于輔驅電驅動常用的方案都有哪些;第四部分介紹XPT基于輔驅系統都有哪些產品;以及我們在輔驅產品上面都有哪些技術上的創新和探索。

電動車有兩驅,有四驅,蔚來汽車對于電動車所有的產品都是四驅。傳統車也有兩驅車、四驅車,四驅車有全時和實時四驅;四驅最重要的是保證動力性、經濟性和安全性。所以我們覺得四驅系統的應用場景毫無疑問第一個是提供澎湃動力,相對于兩驅車一般1.6噸到2噸的車可能百公里加速在7s-8s左右,而現在的高性能電動車基本是4到5s甚至到3s,這種加速性能的提升一般都要用到四驅。

同時我們也知道,四驅車在85%以上的行駛工況下其實它需求功率是非常小的,通常只需要一個電機工作,只有在加速的時候會讓輔驅介入。而當主驅工作的時候輔驅是被倒拖的,它不可避免會有倒拖損耗,所以就希望在四驅的情況下輔驅能有相對較低的倒拖損耗。

針對電動汽車的安全性要求,我們對單個電機追求它的功能安全,努力確保單一系統的安全性;但正如昨天和今天行業內很多的專家所討論的,隨著大批量生產,不可避免某一個電機系統還是有出現故障的概率的。如果有另外一個輔驅做一個動力補充,那當單一動力系統出現故障以后,就可以有效降低對用戶的影響。傳統的四驅系統功能之一是脫困,當雨雪天輪子打滑的時候可以更好的使車輛脫困,這對四驅電動車也一樣,是主要的應用場景之一。

基于以上所介紹的應用場景,從系統角度來說,它對于輔驅的要求: 第一個就是低成本; 這個是毫無疑問,我們一方面要追求極致的性能,追求NVH的舒適性,追求振動的舒適性,另外還有一個非常重要的指標就是怎么樣去保證在滿足這些性能的前提之下,如何把成本做低,所以第一個需求就是更低的產品成本。

第二個就是相對的高效率,雖然說我們對于四驅電動車大數據分析得出,85%的使用工況只需要主驅系統。但從提高系統效率而言,對輔驅就有兩個需求,一是需要動力輔助及制動能量回收的時候有相對較高的效率;二是當被倒拖的時候損耗要低。

第三個就是高舒適性,當需要輔驅介入時,動力性不能有任何的中斷,當輔驅工作的時候系統噪音必須要低,這是對高舒適性的要求。

再有其他就是多功能方面,動力響應時間要快,還要有雙向驅動能力,不再贅述。

右邊這個圖可以看到,我們現在實際的測試結果就是一般電機在9000轉,基本在車速80-90公里/小時的時候就可以看到電機的損耗接近2kw,這是完全的能量損失,就是說在大部分工況運行的時候只有主驅驅動,輔驅不僅不提供動力而且是作為一種能量損耗的器件存在。

針對四驅系統,目前行業內常用的一些輔驅方案,包括國際和國內的友商所應用的電機配置,第一種前后都是用永磁電機,這是截至到目前可以看到的主流配置;第二種就是異步電機永磁電機,這是如大眾MEB,特斯拉的Model 3/Y等都是這樣的一個配置;第三種前面和后面都是永磁但是前電機中間會加一個斷機構,有加在輸入軸和中間軸以及差速器上的斷開機構,這是市面上可見的主要幾種架構。

方案一的弊端是基于相同峰值性能下輔驅的同步電機相對異步電機成本較高,包括它的拖拽損耗也相對較高;第三種方案特點是在變速箱的機械系統里加入了電控系統,它就是強耦合的機電耦合系統,這必然有較高的復雜性,相對而言實現的成本也比較高。這些路線沒有誰對誰錯,每一種路線做到極致都是好的技術方案。而我們目前選擇的方案是第二種,就是異步電機加永磁同步電機這種解決方案,市面上的案例如特斯拉Model 3、Model Y,大眾的MEB都是采用這個方案。

我們現在異步電機有應用在ES8上的大功率異步電機,以及我們正在開發的小功率異步電機,總體來看相對于同等峰值性能的永磁同步電機,異步電機可以降低30%的成本,這是從設計上面可以得到的成本降低。另外一個明顯優勢就是損耗低,永磁電驅動系統(EDS)在車輛80-90km/h左右的巡航時,它的損耗基本都在1.5到2kW左右;而異步電機(EDS)則可以降低到750w左右。對于整車來說就是可以提升4%的性能NEDC續駛里程(70kWh以上),包括制動能量回收部分。同步電機大家知道控制比較快,異步電機會相對慢,但是它的控制也會在100ms以內,所以從行駛頓挫感的角度來看,異步電機對于整個駕駛感受沒有任何的影響。針對雙向驅動和實時四驅,用異步電機可以避免單向離合器的只能單向驅動弊端。

這邊可以看到實際測試的數據,下面是900多瓦,這是電機,不是三合一系統,純粹電機的倒拖數據??梢钥吹?000到1萬轉(在車上面90到100km/h的車速),電機的損耗在900多瓦,一個電磁爐大概在1kw左右, 60%-70%的工況下,一般只用一個電機,另外一個電機(如果是同步電機的話)就是一個能量損耗件。

上面的這個藍色數據中可以看到這是160kW的異步電機損耗數據,就是說在同等的條件下,它的倒拖損耗是192W,這是它帶來的好處,成本降低、峰值性能不受影響的前提下可以大大降低系統損耗。節約的這部分損耗原本完全是被浪費掉的,被轉化成了電機的熱損耗掉,沒有任何的能量回收。

下面是車上面的數據,根據這種測量數據,對照著不同的測試就結果,就能夠明顯看到,相對同等峰值性能的雙同步電機系統,一個異步加一個同步可以在電機成本降低的情況下提升整車里程2%到4%,對電池的成本節約是非??捎^的。

XPT在異步電機這一塊,我們的產品從性能上,我們有100kw到180kw不同的產品。在外形不變,接口不變的情況下根據電流的大小和芯片的變化以及電機的長短形成了100-180kw,力矩270-315Nm,重量做到最大85公斤,EMC至少class3。EMC及NVH是臺架測試結果,速比可變,9到11左右,根據不同的變速箱應用條件去開發。功能安全我們剛拿到南德的流程認證,產品認證預計可以在明年年底左右拿到。

前面說的這些性能指標我們是通過怎么樣的一種技術去實現的? ES8的異步電機最早用的是插銅技術,在ES8的實際應用中,我們從系統的動力性和經濟性,包括它在NVH的表現上面積累了非常好的數據。我們現在在做它的升級換代,在動力性和經濟性平衡的考慮之下,我們做了一些關于鑄鋁轉子研究。

首先我們是在材料上做了創新,傳統工業鑄鋁電機用的都是工業純鋁,再去用常用的壓鑄技術,這種技術的性能在效率和結構強度相對電動車的使用需求會有很大的不足,我們通過新的材料配方研究在工業純鋁里面加入一些輔助材料,可以有效提升它的電導率,從而提升電機的效率、降低發熱;同時,通過這樣的一個材料的配方,也可以提高整個系統的屈服強度,抗拉強度,達到我們所要的高轉速需求。

然后是壽命可靠性,在電動車的應用上,很重要的一個挑戰是,當熱提升以后,怎么保證產品的壽命要求。這個也是通過材料配方研究,既能夠滿足電導率又能力提升屈服強度和抗拉強度,在滿足這些情況下去保證它的壽命,這是我們在開發中需要解決的非常重要的難題。除了對材料配方研究以外,也需要針對不同的材料配方開發不同的工藝的,從熔煉的溫度選擇、冷卻的速率等等,通過工藝的解決方案去實現我們所想要的性能。圖片里面可以看到通過切片和CT掃描,可以看到它的致密性很高,右邊是實物,左邊是通過CT掃描來看到的結果。

第三個是批產穩定性,在只有幾百套樣品的時候它的性能控制相對來說容易,但是怎么保證在大批量情況下它的穩定性,這是非常難的課題。我們開發了一些氣縮孔的在線監測、力學性能的監控以及關鍵尺寸的控制等,通過這些措施去保證在批產以后質量的穩定性。

最后一個是NVH的優化,剛剛王飛專家也說了,NVH可以通過系統控制,可以通過電機設計或者控制算法來優化,這里也包括通過系統結構的優化來實現。圖中可以看到,我們在第一代產品,整個系統一階模態是380Hz,通過后續不同的結構設計我們做到452Hz、478Hz,800Hz等,通過這樣的優化,我們可以支持整車做到更好的NVH性能。

以上就是我們在電驅動系統輔驅上面的一些研究成果,很高興能夠跟大家有這樣的一個分享,謝謝大家!


 
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