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解讀 | 面向2035年APC電驅動技術路線圖的分析及啟示

2022-07-18   286

來源:汽車文摘  暴杰 許重斌 趙慧超



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1 背景

2021 年 2 月,英國先進推進中心(Advanced Pro?pulsion Centre UK,APC)受英國汽車委員會(Automo?tive Council UK)委托,更新發布電驅動產品和技術路線圖。APC的職責是與英國政府、汽車行業和學術界合作,加速技術的工業化,支持向凈、零排放汽車行業的轉型。英國汽車委員會成立于2009年,旨在加強英國政府與汽車行業之間的對話和合作。該委員會由行業專家和政府的高層人士組成,每年召開 3 次會議。早在2013年7月,汽車委員會發布了行業戰略:推動成功實現英國汽車行業的增長和可持續發展戰略。該戰略制定了一系列行動,以實現改善融資渠道、支持新興和顛覆性技術、技能發展以及提高英國供應鏈競爭力等跨領域目標[1-2]。通過APC路線圖的解讀和基于中國產業現狀的路線圖對比分析,一方面有助于促進行業技術交流合作共同進步,另一方面有助于識別中國電驅動產業發展的差異性精準施策。



2 開發邏輯


APC路線圖遵循正向開發原則,不受限于技術現狀?;趯崿F技術商業化和市場滲透份額挑戰的目標分解,必須要在成本、功率密度、效率上有更大的突破,從而獲得媲美傳統汽車的競爭力。從市場需求到產品目標,再到總成、零部件、材料工藝逐級分解,識別現實的技術差距和障礙,制定開發策略。其整體邏輯如圖1所示。

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APC認為電機技術的發展將廣泛關注3個主要領域:

(1)實現性能階躍;
(2)降低應用成本;
(3)減少環境影響。

分別反映了 APC 對于電驅動產品開發的 3 個重要維度,即:產品競爭力、商業開發價值、可持續發展。從價值工程角度,前2個維度是提升用戶獲得價值的關鍵,而第3個維度是行業長久發展和企業永續經營的基礎。



3 技術目標


基于應用場景導向,可以將電驅動系統劃分為以下3類:


(1)高性價比、高產量規模導向經濟高效、高容量導向,以低成本實現規模經濟對這些產品至關重要。應用包括高產量的乘用車和物流車,這類車型大多為400 V電壓等級。

(2)高功率密度、高性能導向需要高功率密度,但成本不是決定性因素。應用包括高性能乘用車、公共汽車和一些中型車輛,這類車型很多為800 V電壓等級。

(3)高功率、超高效率導向


這些應用需要高功率密度和可靠性,但效率是最大限度地利用能源的關鍵。應用包括44 t卡車與大型非公路車輛,這類車型多為700~1 200 V電壓等級。APC路線圖主要對于高性價比、高產量規模導向的電驅動產品具有積極指導作用。APC路線圖提出的電機技術指標規劃總結如表1所示。


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APC 路線圖提出的逆變器技術指標規劃總結如表2所示。


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考慮到各種規格的電驅動系統的差異性,為進行橫向對比,路線圖統一以 100 kW 的電驅動系統為研究基準,提出了電機和逆變器的技術規劃指標。在研究功率基準的選擇上,與中國汽車工程學會、美國能源部(US Department of Energy,DOE)發布路線圖的基準一致(表3)。


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為了便于對比分析APC路線圖的技術經濟指標,在此整理了中國汽車工程學會《節能與新能源技術路線圖 2.0》中對應電機和逆變器的技術規劃。如表4所示。


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對比中國汽車工程學會發布的路線圖,英國APC路線圖對電機的成本指標設置較寬松,而對逆變器的成本指標設置極為苛刻,這反映出歐洲在功率電子產業具有技術優勢,而中國在電機產業技術基礎和稀土資源儲備方面具有綜合優勢。


考慮到APC 路線圖電機功率密度質量和體積的計算基準包括電機的主動電磁組件、軸、外殼和散熱片,因此其電機質量功率密度指標也是非常激進的,必須在電機構型和輕量化材料產業化上實現革新性突破才有望達成。


APC 路線圖對于逆變器體積功率密度的指標設定要求極其寬松,伴隨寬禁帶半導體器件的應用推廣以及周邊元器件的材料進步,預期業界將提前 5~10年達成目標。


根據當前行業的性能測算,基本的共識是WLTP工況比 CLTC 工況電驅動系統效率高 1%左右,CLTC工況比NEDC工況電驅動系統效率高1%左右。而考慮到 APC 路線圖的計算基準定義 WLTP 平均效率是指整個動力總成系統的效率(應解讀為綜合電機、逆變器和變速器的系統工況效率,當前技術現狀為86%~88%),根據行業共識即使全面采用寬禁帶半導體、超導導線、超級硅鋼前瞻材料技術,并且采用直驅取消減/變速器環節,也難以實現產業化,僅僅存在完成實驗室技術研究樣機的可能性。


4 技術挑戰


APC認為,電機開發的挑戰包括:提高性能(特別是體積功率密度),降低成本滿足量產應用,減少對供應鏈不穩定材料的依賴,最小化生產制造和報廢回收對環境的影響。


構型方面,通過新穎的架構設計和更緊密的集成可以實現更好的系統性能。緊湊化設計需要新的材料和熱管理策略來滿足狹小空間內電氣和熱隔離的要求。


繞組方面,采用新的形狀和合金可以改善銅繞組的性能,而從長遠來看,先進的納米材料可以帶來性能躍遷。新型繞組策略、預成型或 3D 繞組工藝可以提供更好的性能。


永磁體方面,需要減少永磁體對重稀土材料的依賴。機會點在于增加回收物含量,更多地使用二次稀土材料和替代制造方法(如聚合物粘接)。需要注意,中國雖有稀土資源先天優勢,也需節約利用。


電工鋼方面,非晶金屬材料渦流損耗低,磁飽和強度低,需解決生產成本高、熱處理和應力控制工藝難題;軟磁復合材料制作鐵芯可以保持渦流損耗不隨頻率升高,且造型容易制造成本低(近無余量成形加工技術制造出更復雜的 3D 形狀)。上述 2 種材料在高速高頻電機中預期將有應用拓展。


為了建立循環經濟,需要創建新的工藝流程來回收和循環利用對環境有負面影響的材料,以最低的環境影響來回收電機是一個挑戰。例如,在電機裝配中減少對濕法工藝的依賴可以提高生產效率,并使拆卸和回收更容易。在短期內,盡管設計的集成度和緊湊性不斷提高,但可拆卸和回收設計將變得越來越重要。從長遠看,解決制造過程中的能源投入強度問題仍非常重要,貫穿整個價值鏈的生命周期分析將變得至關重要。


APC路線圖提出,為了實現路線圖中規劃的長期性能和成本目標,面臨的電機關鍵技術挑戰和應對挑戰潛在的研究課題具體如表5所示。


隨著道路上電動車輛數量的增加及其電氣化程度的提高,功率電子設備在每輛汽車價值中所占的比例將越來越高。需要更復雜的電力電子解決方案來減少電氣損耗、系統質量和成本。汽車行業的挑戰性要求為功率密度更高的解決方案、更快速的半導體開關、更高的可靠性和更耐高溫的材料創造了需求。

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半導體是成本最高的元件。硅基器件因其具有相對低的成本、更好的可制造性以及更成熟的供應鏈,將繼續在低壓應用中發揮重要作用。對于更高電壓的應用而言,由于在生產規模、低成本高質量晶圓和器件創新設計方面取得的進步,新型寬帶隙半導體材料,如碳化硅和氮化鎵,將很快進入汽車大功率牽引應用。寬禁帶半導體器件將提供比傳統硅器件更好的熱性能和電性能,但在可制造性、可靠性、集成和成本方面帶來挑戰。為了最大限度地發揮寬帶隙材料的潛在優勢,需要同時開發先進的組件、拓撲和電路集成技術,以適應高溫、高頻率和高電流環境。無源元件、印刷電路板、傳感器、電路架構、控制軟件、容錯功能設計等都需要創新。標準化和最優化的架構將有利于擴大生產規模并降低成本,最終可以實現更小、更輕、最終更便宜的設計,盡管這在可回收性和環境影響方面帶來了挑戰,但通過可拆卸設計和努力為材料創造真正的循環經濟可以解決。


APC 路線圖提出,為實現規劃技術目標,面臨的逆變器關鍵技術挑戰和應對挑戰潛在的研究課題如表6所示。


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5 關鍵技術路徑

5.1 電機技術路線

電機技術路線如圖2所示。

5.1.1 電機構型與集成

(1)新型軸向磁通電機功率密度高,且磁通路徑為直線,可以使用晶粒取向鋼進一步提高效率。未來定轉子結構可能發生根本性變化,例如使用高溫超導體、無鐵芯轉子以及超導永磁體的電機。

(2)集成方式和集成程度迭代演進,由第一代的逆變器、電機和傳動裝置緊密封裝,探索進一步的功能集成,移除高壓電纜,共用單一的熱管理系統和外殼。從長遠來看,更多高性能的小規模應用可以選擇3D 打印技術將逆變器嵌入定子或轉子。




(3)仿真模擬技術增強。熱、磁、電氣和機械多物理場設計工具將助力實現最優電機設計。隨著疊層制造技術的成本效益和普及性不斷提高,全新的制造設計將成為可能,包括3D打印復雜的磁體或繞組。

5.1.2 熱管理

(1)優化電氣強度和導熱性的絕緣材料。絕緣材料有2個關鍵指標:介電強度和介質損耗系數。伴隨高壓動力總成的普及,聚偏氟乙烯(Poly Vinylidene Fluo?ride,PVDF)和氟化乙烯丙烯共聚物(Fluorinated Ethyl?ene-Propylene co-polymer,FEP)材料可能會導入應用。

(2)主動冷卻。高性能應用可在現有液冷和油冷技術基礎上進一步采用浸沒式油冷技術(比如雙轉子單定子軸向磁通電機),長遠來看可能采用相變冷卻方法,使用相變材料儲存熱能并轉化為電能。

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(3)集中式冷卻系統。電機和電子元件運行溫度不同,需設計可控制熱差異的非獨立回路冷卻系統。

5.1.3 電工新材料開發

(1)高性能繞組。方導線比圓導線槽滿率更高,使用薄多股線(如Litz線)或層壓繞組工藝以及應用嵌入銅或銅表面的碳納米管、石墨烯、納米材料或高溫超導體材料,可以減少交流繞組損耗。

(2)高性價比繞組。銅鋁合金繞組既能降低成本,又能保持銅材料部分優異的導電和導熱性能。未來疊層制造技術有可能取代復雜的繞組工藝,提供新的解決方案。

(3)減少重稀土材料依賴。短期來看,采用少重稀土永磁材料;中期來看,采用無重稀土或部分回收稀土永磁材料;長期目標是采用 100%回收材料制備可保持高剩磁和高矯頑力的永磁體。

(4)開發燒結釹鐵硼永磁體的替代品。如鐵氧體、鋁鎳鈷非稀土永磁體、釤鈷永磁體、聚合物粘接釹鐵硼永磁體。

(5)先進軟磁材料產業化開發。短期主要基于傳統硅鋼優化,圍繞厚度減薄、增大合金化比例(6.5%高硅含量低損硅鋼)、測試方法及服役特性建模、改進的粘接和涂層技術(如自粘接涂層)、晶粒取向鋼應用攻關;長期圍繞非晶合金高頻應用、小晶粒SMC軟磁復合材料高頻應用、高性能鈷鋼成本優化攻關。

5.1.4 制造創新

(1)實現規模經濟的繞組工藝。如滴漆浸漬、發卡繞組、以及預制鑄造繞組和3D打印繞組技術。

(2)提高定轉子的生產效率。如激光切割技術,以及粉末冶金、疊層增材制造等零浪費的集成制造技術。

(3)永磁體制造新方法。層壓工藝,提高強度、耐用性、高溫性能,降低損耗。

(4)減少并消除濕法工藝。通過使用干式方法(如機械連接)消除永磁體粘合劑,更環保更利于回收。

5.2 逆變器技術路線

逆變器技術路線如圖3所示,半導體材料的物理特性見表7。


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5.2.1 半導體芯片

(1)硅基功率半導體。通過更小的芯片尺寸、更薄的晶片和創新的 IGBT設計(如逆導IGBT),進一步提高性能。

(2)碳化硅基功率半導體。突破晶體生長核心技術,生產尺寸更大、缺陷更少的晶片以降低成本。未來達到12英寸。

(3)氮化鎵功率半導體。GaN襯底的尺寸和純度極難與其它襯底材料競爭。短期內以 GaN-on-Si 技術過渡,中長期實現GaN-on-SiC 或GaN-on-GaN,以制備高耐壓垂直結構器件。

(4)超寬禁帶功率半導體。未來,采用超寬禁帶半導體材料(如金剛石、氧化鎵、氮化鋁)的功率器件性能將顯著變化。

5.2.2 半導體封裝

(1)寬禁帶半導體的封裝。改進熱管理和封裝材料工藝以支持更高的功率密度和更寬的溫度范圍(工作溫度200 ℃以上)。以超低電感封裝保護元件免受電壓瞬變的影響,抑制EMI。

(2)提高功率模塊集成度。短期實現傳感器、濾波器無源元件、門極驅動器的集成;中期實現所有功率變換元器件集成到功率模塊中;遠期通過一體化協同制造實現徹底的集成,甚至控制軟件都集成到單一封裝中。  

(3)寬禁帶半導體功率模塊標準化。降低設計和開發成本。
 
5.2.3 無源元件、傳感器和印刷電路板

(1)開發高溫(<150 °C)陶瓷、金屬膜和PLZT電容器,縮小直流母線電容尺寸實現高功率密度。

(2)由于空間有限,可優先開發可測量溫度、電壓、電流的綜合型多功能傳感器。物理傳感器可以發展為無線傳感器,以減小質量,減少布線,但需要同步改進數據分析和軟件。信號傳輸也可由物理傳輸部分轉向無線傳輸。

(3)逆變器印刷電路板面臨極高的功率要求,需要適應高溫、高頻和大電流的環境。150~200 μm的厚銅電路板、陶瓷電路板、PTFE 電路板都是非常有效的解決方案。從長遠來看,“混合”型印刷電路板材料和新制造工藝有助于實現徹底的組件集成。

5.2.4 逆變器設計

(1)寬帶隙功率半導體的潛力只有在新型電路拓撲結構下才能發揮。包括:高頻軟開關技術;自適應逆變器;高頻脈寬調制與諧振變換器;多電平變換器等。

(2)在線健康管理。從被動響應式健康管理轉變為基于現場數據收集賦能的預測式健康管理。通過AI學習和創新型低壓電子柔性電路架構,可以進一步實現自校正和可重構的逆變器。

(3)安 全 軟 件 及 其 自 主 迭 代 。開 發 滿 足 ISO26262標準的ASIL-D級安全軟件。未來控制軟件將變得更加復雜,并將根據工況效率或消費者舒適度來定制軟件或在線升級。整車各電控軟件也有進一步域集成、中央集成的趨勢和多元化解決方案。

5.2.5 面向全壽命周期評估LCA的設計

(1)高價值材料收集、處理、回收、再利用的循環經濟。隨著逆變器變得越來越小并集成到電機和變速器中,可拆卸、可回收而設計是現在應該采用的關鍵設計原則。長遠看,具有客觀前景的是創造循環經濟,讓金、銀、銅、鎳等材料可以被提取和再利用。

(2)降低生命周期碳排放。短期工作重心是通過節能生產工藝或低碳能源來降低二氧化碳濃度。遠期將需要考慮設計和制造全價值鏈中使用原材料、工藝和資源的所有碳排放。

6 啟示與展望

新能源汽車已由“政策+市場”雙輪驅動逐漸切入市場驅動新階段,汽車電驅動產品需要依靠質變撬動市場需求。技術、資源、成本、質量綜合可控是在未來電驅動產業競爭過程中致勝的關鍵因素。


隨著基礎理論、材料工藝、功率電子、控制平臺、仿真測試水平的不斷提升,電驅動產業仍有很大進步空間,批量化市場應用尚不成熟,有必要針對未來趨勢做好前瞻布局,同時系統級的頂層設計與權衡對市場參與者的體系能力提出更高要求。汽車驅動電機及其逆變器仍有很多前沿科學和工程技術難題有待攻克,牽引電機產業轉型發展。


全生命周期低碳環保的主題要求站在人類命運共同體的高度,強調了最終邁向循環經濟,實現可持續性發展的必要性。產業結構將圍繞碳達峰、碳中和目標加快調整。伴隨著產業同仁對于制造過程和報廢回收過程環境影響的日益關注,綠色制造體系將從無到有并日趨完善。這個過程中,可拆卸設計理念將在與集成化設計理念的矛盾沖突中取得平衡,占有重要地位。




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