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蔚來第二代電驅(qū)系統(tǒng)技術(shù)解析

2021-10-27 01:02:49·  來源：汽車動(dòng)力總成  
　
在今年的6月份，蔚來汽車對(duì)外展示了其應(yīng)用碳化硅技術(shù)的電驅(qū)系統(tǒng)C樣件，這套電驅(qū)系統(tǒng)屬于蔚來汽車的第二代電驅(qū)平臺(tái)，它將率先搭載在即將于2022年交付的蔚來ET7車
在今年的6月份，蔚來汽車對(duì)外展示了其應(yīng)用碳化硅技術(shù)的電驅(qū)系統(tǒng)C樣件，這套電驅(qū)系統(tǒng)屬于蔚來汽車的第二代電驅(qū)平臺(tái)，它將率先搭載在即將于2022年交付的蔚來ET7車型上。蔚來在南京自建了電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)先進(jìn)制造中心，簡(jiǎn)稱XPT工廠。這個(gè)工廠是蔚來三電核心技術(shù)開發(fā)和制造的基地，前兩天，蔚來在這里介紹了其第二代電驅(qū)系統(tǒng)技術(shù)，今天我們就來一同探究碳化硅（SiC）技術(shù)。



車輛運(yùn)轉(zhuǎn)首先取決于車輛的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，甚至它的控制系統(tǒng)和電源系統(tǒng)，電動(dòng)車的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其實(shí)就類似于燃油車的變速箱和發(fā)動(dòng)機(jī)，電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)就是給電動(dòng)汽車提供動(dòng)力所需要的一切裝置。
現(xiàn)代電動(dòng)汽車電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要由四大部分組成：驅(qū)動(dòng)電機(jī)、變速器、功率變換器和控制器。驅(qū)動(dòng)電機(jī)是電氣驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的核心，其性能和效率直接影響電動(dòng)汽車的性能。驅(qū)動(dòng)電機(jī)和變速器的尺寸、重量也會(huì)影響到汽車的整體效率。功率變換器和控制器則對(duì)電動(dòng)汽車的安全可靠運(yùn)行有很大關(guān)系。



對(duì)于這座工廠的定位，蔚來高級(jí)副總裁曾澍湘表示電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)上海主要以研發(fā)為主，南京主要進(jìn)行工業(yè)化和工藝的開發(fā)，同時(shí)進(jìn)行生產(chǎn)制造。電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)全棧自研及制造，蔚來也是全球唯二的廠商能夠做到的制造能力，其中電驅(qū)系統(tǒng)已獲得及在申請(qǐng)專利數(shù)達(dá)215項(xiàng)，其中81項(xiàng)是發(fā)明專利。
從蔚來電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的迭代來看，首先是保持雙電機(jī)的策略不變，目前的 240kW 感應(yīng)和 160kW 永磁是第一和第二代產(chǎn)品，蔚來ET7搭載的300kW 感應(yīng)和 180kW 永磁則是第三代電機(jī)產(chǎn)品，而此前發(fā)布的220KW 高功率永磁電機(jī)，可以算得上是第四代電機(jī)產(chǎn)品。


蔚來ET7在此前的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了升級(jí)，前永磁同步電機(jī)功率達(dá)到了180kW，后異步感應(yīng)電機(jī)功率達(dá)300kW，最大功率提升了20%，峰值扭矩提升23%，其中前永磁同步電機(jī)系統(tǒng)中使用了碳化硅功率模塊替代了傳統(tǒng)的硅基IGBT功率模塊，以彌補(bǔ)傳統(tǒng)硅基IGBT電壓范圍窄、通過的電流不夠大的劣勢(shì)。


碳化硅（SiC）是第三代化合物半導(dǎo)體材料。半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的基石是芯片，制作芯片的核心材料按照歷史進(jìn)程分為：第一代半導(dǎo)體材料（大部分為目前廣泛使用的高純度硅），第二代化合物半導(dǎo)體材料（砷化鎵、磷化銦），第三代化合物半導(dǎo)體材料（碳化硅、氮化鎵） 。碳化硅因其優(yōu)越的物理性能：高禁帶寬度（對(duì)應(yīng)高擊穿電場(chǎng)和高功率密度）、高電導(dǎo)率、高熱導(dǎo)率，將是未來最被廣泛使用的制作半導(dǎo)體芯片的基礎(chǔ)材料。


其中180kW永磁同步電機(jī)在同等的空間，同等的邊界尺寸，同等電壓水平下，性能方面實(shí)現(xiàn)了提升，這里面包括電機(jī)類型的選擇，轉(zhuǎn)子磁鋼選型上都進(jìn)行了一些具體的開發(fā)。而后異步感應(yīng)電機(jī)通過電磁的優(yōu)化，使得模塊電流的提升，從而實(shí)現(xiàn)性能的升級(jí)。


優(yōu)化減速器速比這一方面，蔚來是通過多目標(biāo)的優(yōu)化，提升效率的同時(shí)，同時(shí)提升速度。減速器速比從9.57提升到了10.48。對(duì)于后異步感應(yīng)電機(jī)的IGBT模塊，從900A提升到了 960A。


相比于160kW電驅(qū)系統(tǒng)，在NVH方面進(jìn)行了一系列的優(yōu)化，例如懸置融合控制的EDS總成模態(tài)優(yōu)化、電機(jī)非均勻氣隙及高正旋氣隙磁密、齒軸結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和控制器諧波注入與控制策略的優(yōu)化。


當(dāng)電機(jī)的功率和扭矩有了提升之后，就會(huì)產(chǎn)生一些諧波上的負(fù)面影響，蔚來也與電機(jī)的合作伙伴專門針對(duì)NVH進(jìn)行了細(xì)節(jié)優(yōu)化。通過電磁優(yōu)化（非均勻氣隙）均衡電磁徑向力，并通過氣隙的正旋化，優(yōu)化了扭矩波動(dòng)，達(dá)到最佳的NVH表現(xiàn)。在減速器中，齒輪的齒形齒向也同樣進(jìn)行了微米級(jí)的優(yōu)化，保證誤差在10微米之內(nèi)，齒輪嚙合的過程中才會(huì)更加的緊密，噪音也會(huì)更小。最后是通過軟件控制算法的形式進(jìn)行優(yōu)化。第一階段是諧波的抑制，第二階段是諧波的注入，進(jìn)行相互的抵消，第三階段則是進(jìn)行音頻的調(diào)制，雖然在ET7上并沒有應(yīng)用，在后續(xù)上會(huì)進(jìn)行一定的加用。


電池在低溫下的性能較弱，電機(jī)系統(tǒng)通過開發(fā)特殊功能，在低溫下通過優(yōu)化利用電機(jī)的廢熱加熱電池，最大能提供超4kW的加熱功率，優(yōu)化了75度三元鐵鋰電池的低溫特性?！雇瑯?，在注入新的電流之后噪音就會(huì)增加，同樣通過軟件進(jìn)行抑制，通過軟件諧波控制算法，消除該工況下的噪音。



首先從碳化硅功率模塊的特性來看，碳化硅模塊在低載時(shí)的能效和里程是可以大幅增加的，尤其是在城市工況下。其次是通過的電流能力提升了30%，而功率模塊的主要作用就是將直流電轉(zhuǎn)化為功率可調(diào)的交流電，所帶來的好處就是性能的提升，跑得更快的同時(shí)，續(xù)航里程更長(zhǎng)，這也恰好符合蔚來汽車高性能的產(chǎn)品基因。


從碳化硅功率模塊上來看，評(píng)價(jià)它的指標(biāo)主要有兩點(diǎn)。一是導(dǎo)通電阻，這是決定模塊損耗的高低，另一個(gè)就是熱阻，可以有效的提升散熱能力。
關(guān)于驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)，其實(shí)碳化硅功率模塊是更適合城市的工況，除了效率之外，我們就得考慮一下可靠性，包括EMC電磁兼容以及絕緣問題，洪文成則解釋通過多輪的優(yōu)化設(shè)計(jì)，減少環(huán)路的電感，去優(yōu)化驅(qū)動(dòng)參數(shù)，以及驅(qū)動(dòng)芯片的選型和應(yīng)用等，來實(shí)現(xiàn)整個(gè)硬件系統(tǒng)的優(yōu)化與設(shè)計(jì)。
注：文章中引用數(shù)據(jù)和圖片來源網(wǎng)絡(luò)
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