产能不断提升 新能源汽车驱动电机成最具比较优势产业(2)
经过多年的持续发展,我国自主开发的永磁同步电机、交流异步电机和开关磁阻电机已经实现了与整车产业化技术配套,电机重量比功率达到28 ~30kW/kg,电机系统最高效率达到94%以上,系列化产品的功率范围覆盖200kW以下新能源汽车用电机动力需求。国家863计划节能与新能源汽车重大项目总体组电机责任专家、上海电驱动有限公司总经理贡俊说:“在关键技术指标方面,我国驱动电机的功率密度、效率等电机技术水平与国际水平基本相当。”但从更高发展水平看,国际上以通用沃蓝达、本田雅阁插电式乘用车为代表的几个国际主流主机厂采用的驱动电机的峰值功率密度(在等效300VDC)可达到38 kW/kg、连续功率密度可达24~28 kW/kg,而我国的电机峰值功率密度大多在28 kW/kg、连续功率密度在12 ~16 kW/kg。
从电机转速来看,国内驱动电机可以达到12000rpm,与国际14000~16000rpm仍有一定差异。贡俊表示,我国电机峰值转速尽管与国际先进水平有一定差距,但是现有水平已经能够满足消费者使用需求。另外,因为我国汽车减速器的转速尚不能达到较高转速,所以驱动电机的转速没有必要追求超高的转速。
在高性能创新结构电机的开发上,例如矩形导体、分段导体、定子铁芯嵌入和定转子铁芯分段等电机技术,我国只有少数电机供应商进行样件开发探索,而国际上已经开始批量生产并进入市场;在冷却技术方面,例如绕组塑封、油冷技术,我国相关产品尚处于起步阶段;高端试验和关键生产设备、检验设备的水平相对落后,基本依赖进口;在大规模产业化过程中,自动化生产设备短板明显。相比国际电机产业,我国驱动电机产业链还不够完善,部分关键材料和零部件(如耐油绝缘材料、高速轴承等)研发投入不够,核心部件(铁芯和永磁体等)材料利用率相对偏低,驱动电机技术和工艺水平仍需要进一步提升。
贡俊介绍,我国已自主开发了满足各类电动汽车需求的电机控制器产品,但目前我国电机系统技术水平与国际先进水平差距明显,尤其在电力电子集成控制器方面。单从电力电子集成控制器功率密度比较,存在50%~60%的差距;在芯片集成设计、热设计、产品化设计等核心能力方面差距更大,在电力电子控制器集成度方面,目前我国规模化生产的电机驱动控制器功率密度为5~8kW/L,低于12~17 kW/L的国际先进水平。其主要原因是国内控制器功率密度的大功率IGBT 器件为国外标准封装产品,而国外控制器采用更高功率密度的定制型大功率IGBT器件。同时,我国电机控制器、车载充电机和DC/DC 等车载电力电子变换器大多采用独立封装形式,集成度低、重量大,而国外多功能集成功率控制器 PCU产品已规模化市场应用。
在下一代功率器件发展方面,第三代宽禁带功率半导体材料、器件和宽禁带功率半导体控制器的基础理论和技术开发在我国基本处于起步状态,与跨国汽车企业全SiC电机驱动控制器的装车试运行状态差距更大。SiC材料可以工作在200℃以上,开关频率可以达到MHz级以上,特别适合于高温环境下应用,迫切需要高温电力电子基础理论支撑,我国在这方面研究基础较为薄弱。
高度集成将成未来主要趋势
“驱动电机系统将向着集成化的方向发展,降低整个系统的重量和体积,并可以有效地降低系统的制造成本。”国家863计划节能与新能源汽车重大项目总体组电机责任专家、上海电驱动有限公司总经理贡俊介绍,集成化包括两个方面:其一是机电集成,即电机与发动机总成或电机与变速箱的集成,其技术特点是通过高效率高速电机与高效传动系统的集成,来提升驱动系统效率、功率密度并降低成本;其二是电力电子集成,主要包括基于IGBT芯片、电容、高效散热技术(如双面冷却)的高功率密度电力电子集成技术,以实现车载电力电子系统的功率密度倍增,降低成本。同时,以数字控制为基础、功能安全设计为目标、电磁兼容为约束的高可靠性、多拓扑组合的车载电力电子集成技术,向着满足ISO26262的汽车工业产品安全设计的方向发展。
近年来随着以SiC为代表的第三代宽禁带材料技术及产品快速发展,国外企业(特别是日本)不断推出全SiC电力电子集成控制器产品样机,全SiC控制器功率密度比Si 控制器提升两倍以上,国外某些全SiC控制器产品样机已处于装车试运行状态。SiC击穿场强为Si的10倍,SiC电子饱和速度为Si的两倍以上,热传导率约为Si的3倍,相比Si更适用于生产大功率、高温、高压、抗辐照电子器件,适合电动/混合动力汽车的频变工况场合,有望为车用电力电子装置带来革命性变化。
贡俊介绍,早期我国新能源汽车市场容量只有数千套的环境下,产业内的电机电控企业数目屈指可数,尤其是按汽车产品要求进行驱动电机产品正向开发验证及生产的企业更少。如今,在市场快速发展和国家政策的刺激下,周边行业的辐射覆盖、外资企业的大举进入等都极大加强了我国驱动电机领域的产业基础。尤其是在资本市场的作用下,使得前沿技术与产业的融合速度加快。此外,在互联网模式的影响下,传统产业或传统企业都已逐步从单纯的产品溢价转向商业模式的溢价,对产业链的整体发展起到了促进作用。未来,驱动电机产业将呈现多样化业态、灵活合作模式、智能化制造方向发展。
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