为什么要用碳化硅?解析蔚来第二代电驱系统

2021-10-20 10:09:27 作者:崖雍

  【太平洋汽车网 技术频道】就在昨天(10月19日),南京XPT(蔚来驱动科技)工厂里举办了一场媒体沟通会,一同分享了「蔚来ET7询底价|查参配)电驱动系统」,这也是蔚来旗下首款采用碳化硅功率模块的车型。南京XPT工厂作为蔚来整个制造系统起步的地方,早在2017年整个白车身的试制和整车的试制都在这里完成的,可以算得上是蔚来制造的「老家」。

为什么要用碳化硅?解析蔚来ET7电驱系统

  关于当初李斌所说的「花钱买时间」,也正是因为当时的江淮工厂还处于建设阶段,花了一年的时间在这座工厂赶工艺,蔚来ES8才能在三年内就完成了整车的开发。

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  对于这座工厂的定位,蔚来高级副总裁 曾澍湘表示「电驱动系统上海主要以研发为主,南京主要进行工业化和工艺的开发,同时进行生产制造。」

  在大家一直强调蔚来的服务时,似乎会片面的认为蔚来在技术功底方面是不是差点意思?而蔚来给出的答案是「电驱动系统全栈自研及制造」,这也是全球唯二的厂商能够做到的制造能力,对于另一家是谁?大家都心中有数。其中电驱系统已获得及在申请专利数达215项,其中81项是发明专利,这也是证明蔚来是能够持续创新最好的事实。

再苦也不能苦研发

  首先关于蔚来在电驱动系统的开发,曾澍湘认为「其它车厂的研发更多的是产品开发最后阶段的验证过程,如果按照我们这个全栈自研的标准,就是说软件是不是自己写的?电路板是不是自己开发的?芯片是不是自己选的?这是我们定义全栈自研的一个方式。」

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  要想让数百人的研发团队能够全身心的投入到研发中来,首先必须得有钱,蔚来「再苦也不能苦研发」。蔚来从2015年开始组建的电驱动团队,到目前在研发、试验、设备以及软件工具上投入了大概2.5个亿,产品的开发试验费用占1.3个亿左右,实验台架的费用占1个亿,购买各种软件工具就花费了将近3千万。

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  南京XPT工厂的产能方面,设计纲领达到30万台,实际达到了32万台电驱动系统的生产能力。而今年截至到10月12日,蔚来三合一 EDS 电驱动单就已经突破了30万台,基本上每年都是翻番的状态。同时该工厂具备「永磁电机+感应电机」生产,在整个行业内都是比较少见的。

为什么要用碳化硅?解析蔚来ET7电驱系统

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  从蔚来电驱动系统的迭代来看,首先是保持双电机的策略不变,目前的 240kW 感应和 160kW 永磁是第一和第二代产品,蔚来ET7搭载的300kW 感应和 180kW 永磁则是第三代电机产品, 而此前发布的220KW 高功率永磁电机,可以算得上是「第四代电机产品」。

首次应用碳化硅功率模块

  而关于蔚来ET7电驱动系统的技术讲解环节,首先由蔚来电驱系统与集成部负责人 毕路来进行解读。

  蔚来ET7在此前的电驱动系统的基础上进行了升级,前永磁同步电机功率达到了180kW,后异步感应电机功率达300kW,最大功率提升了20%,峰值扭矩提升23%,其中前永磁同步电机系统中使用了「碳化硅功率模块」替代了传统的「硅基IGBT功率模块」,以弥补传统硅基IGBT电压范围窄、通过的电流不够大的劣势。

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  「第三代的电驱从外观上来看整体是没有差别的,使得生产的产线得到了最大的兼容,同时在整车上也同样保持着这样的物理兼容,将来才有可能进行互换。」

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  其中180kW永磁同步电机在同等的空间,同等的边界尺寸,同等电压水平下,性能方面实现了提升,这里面包括电机类型的选择,转子磁钢选型上都进行了一些具体的开发。而后异步感应电机通过电磁的优化,使得模块电流的提升,从而实现性能的升级。

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  优化减速器速比这一方面,蔚来是通过多目标的优化,提升效率的同时,同时提升速度。减速器速比「从9.57提升到了10.48」。

  对于后异步感应电机的IGBT模块,「从900A 提升到了 960A 」,「这是基于整个系统的热管理系统的优化,以及我们基于应用的工况下,对模块的寿命进行精准的预估」。

车辆性能与NVH的取舍

  相比于160kW电驱系统,在NVH方面进行了一系列的优化,例如「悬置融合控制的EDS总成模态优化、电机非均匀气隙及高正旋气隙磁密、齿轴结构优化设计和控制器谐波注入与控制策略的优化」。

  大家都知道当电机的功率和扭矩有了提升之后,就会产生一些谐波上的负面影响,蔚来也与电机的合作伙伴专门针对NVH进行了细节优化。「通过电磁优化(非均匀气隙)均衡电磁径向力,并通过气隙的正旋化,优化了扭矩波动,达到最佳的NVH表现。」

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  在减速器中,齿轮的齿形齿向也同样进行了微米级的优化,保证误差在10微米之内,齿轮啮合的过程中才会更加的紧密,噪音也会更小。

  最后是通过软件控制算法的形式进行优化。「第一阶段是谐波的抑制,第二阶段是谐波的注入,进行相互的抵消,第三阶段则是进行音频的调制,虽然在ET7上并没有应用,在后续上会进行一定的加用。」

有了电机加热 直接舍掉加热器?

  「电池在低温下的性能较弱,电机系统通过开发特殊功能,在低温下通过优化利用电机的废热加热电池,最大能提供超4kW的加热功率,优化了75度三元铁锂电池的低温特性。」同样,在注入新的电流之后噪音就会增加,同样通过软件进行抑制,通过软件谐波控制算法,消除该工况下的噪音。

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  由于车辆有了电机的主动加热,关于会不会取消掉车上的PTC,例如特斯拉的做法那样。

  蔚来智能功率电子系统部负责人 洪文成则表示「我们在开发的过程中是和整车的同事一起联合去开发的,确保他们按照整车的控制策略,以及它的电池需求,然后在满足用户的体验基础上,再看是否会是取消,还是进行一个降级,这是他们有更多的一个考量,在加热这一块,我们得确保满足他们的要求」。

为什么要用碳化硅功率模块?

  关于蔚来ET7的主驱系统——180kW的永磁电机,为什么会用上碳化硅功率模块?「首先一切从用户的利益出发,如果这一项开发对用户有利,那我们就要去做,而且是尽快去做」。而现在「货架」上没有一个完整的碳化硅模块量产,所以蔚来就得自己造,比其他友提前半年到一年的量产,这就是抢先所带来的优势。

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  首先从碳化硅功率模块的特性来看,碳化硅模块在低载时的能效和里程是可以大幅增加的,尤其是在城市工况下。其次是通过的电流能力提升了30%,而功率模块的主要作用就是将直流电转化为功率可调的交流电,所带来的好处就是性能的提升,跑得更快的同时,续航里程更长,这也恰好符合蔚来汽车高性能的产品基因。

为什么要用碳化硅?解析蔚来第二代电驱系统

  再加上「电池的容量越大,使用碳化硅能够带来的利益也就越多」,其实这是整个体系能力的增强,效率更高。此次蔚来汽车并没有公布具体的成本情况,因为带来能效提升的同时,成本也会增加,两者之间的帐还得好好的算一下。

为什么要用碳化硅?解析蔚来ET7电驱系统

  从碳化硅功率模块上来看,评价它的指标主要有两点。一是导通电阻,这是决定模块损耗的高低,另一个就是热阻,可以有效的提升散热能力。

  关于驱动电路的设计,其实碳化硅功率模块是更适合城市的工况,除了效率之外,我们就得考虑一下可靠性,包括EMC电磁兼容以及绝缘问题,洪文成则解释「通过多轮的优化设计,减少环路的电感,去优化驱动参数,以及驱动芯片的选型和应用等,来实现整个硬件系统的优化与设计」。

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  在软件方面同样要进行系统的考虑,车速较低时,就会降低电开关的频率,使开关的损耗减少35%,高负载时会进行过调制优化策略,减少损耗的同时提升效率。「其实关于碳化硅的应用在硬件和软件上会去做一个系统性的思考和系统性的优化」。

蔚来电驱系统首次出口

  接着,我们在媒体交流的环节中,我们从中还是提取到了一些比较有意思的点,如下:

 
 

Q&A 要点

1

180kW的永磁电机的总体重量保持在了88kg,功率密度提升到了2.0kW/kg。

2

关于多挡减速器,蔚来采用的是使用挡位固定的方式,把转速进行提升,提升到了16000转/分。

3
碳化硅功率模块的供应问题,蔚来与合作伙伴签了一些长期的协议,以保证优先的供货。
4
关于「多合一电驱」,曾澍湘表示,「不认为做机械的集成就是一个创新的产品,从长期来看,是怎么做功能融合的集成,这才是有挑战的」。
5
关于下一个平台,整个研发团队的资源在今年增加了百分之百,结合未来几个平台的需求,蔚来都在储备电机的技术,保证电机的推出一定是行业领先的。
6
碳化硅功率模块的供应商排着队让蔚来进行评估,这就有点凡尔赛了。
7
关于「电驱动系统」对外销售的问题,蔚来最珍贵的是工程资源而不是产线资源,例如行业内紧缺的16000转以上的测试平台。目前XPT工厂正在与美国的一家初创公司进行合作,但整体的规模比较小。
8
按照时间点来看,蔚来子品牌将不会搭载180kW永磁电机。
9

关于无线电池管理系统,蔚来有这方面的打算。

10
第二代电驱系统暂时不会出现在蔚来ES8、ES6、EC6上。

  此次的沟通会结束之后,我们还参观了一下XPT工厂,但由于工厂园区内是禁止拍照的,所以本文的配图基本上都是来自蔚来官方。

为什么要用碳化硅?解析蔚来ET7电驱系统

  在这个占地528亩的XPT工厂里,拥有EDS电驱动产线及PEU电机控制器产线,并且还有大量的设备正在调试当中,以满足新一代电驱动系统的产能需求。

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  工厂内采用了大量的机械臂以及AGV小车进行加工作业,包括在防错方面,使用了许多的高清摄像头进行拍照,并依靠MES系统可进行随时的溯源。

全文总结

  此次搭载了碳化硅功率模块的前永磁电机,首先就会造成研发成本的增加以及生产成本的增加,这也是蔚来要发布更具差异化平台的原因之一,以寻求在多种车型中的定位更加精准,才能实现更大的投资回报率。(图/文/摄:太平洋汽车网 崖雍)

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