高效集成 打造电动汽车的黄金动力组合

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动力组合的性能决定了一辆车的性能。对于传统燃油汽车,动力组合主要是指发动机+变速箱。优秀的燃油车动力组合不仅要做到动力输出强劲、平顺,还要做到效率高、排放低,即用更少的能量输出更强的动力。

对于电动汽车,我们一般认为的动力组合是指电机+电机控制器+减速器。相比燃油车,电动汽车的动力组合动力输出强劲平顺,能量转化效率更可以做到完全碾压。燃油车动力组合的效率主要在于发动机,能量转化效率还不到40%,而电动汽车的电机最高效率可高达97%,动力组合的综合效率(电机、电机控制器、减速器三者效率的乘积)目前能做到85%左右。其中,优秀的企业如比亚迪,能将动力组合的综合效率做到88%以上!

电动汽车动力组合能量转化效率远远优于燃油车的先天优势显而易见,电动汽车和电动汽车相比,动力组合的效率也是高下分明。比亚迪的工程师团队就认为,追求动力组合的高效率也许永远没有终点。他们做过计算:以爆款产品比亚迪元EV (配置|询价)为例,如果动力组合的综合效率提升三个百分点,则每百公里电耗可下降0.5度。这个0.5度对于消费者而言可能微乎其微,但如果考虑到元EV每个月数千台销量,每辆车每年行驶里程近万公里的话,这三个百分点的社会贡献则是十分巨大的。

比亚迪从事新能源汽车开发将近20载,从建厂之初比亚迪就充分重视核心零部件的研发,掌握核心零部件的生产制造能力。基于雄厚的技术实力支撑,运用自身强大垂直整合能力,比亚迪将电机、电控、减速器集成为更加高效的e平台“驱动三合一”总成模块。这一模块的高效化主要来源于这个系统的集成化、轻量化,以及比亚迪在永磁同步电机和电机控制器核心技术领域上的经验积累和创新突破。

匠心打造高效永磁同步电机

电机作为整车的动力来源,将电能转换为机械能用于驱动车轮。电机的输出功率非常高,因此电机的能量转换效率就直接决定了整车的效率。想要提高电动汽车的效率首先应该从电机入手,比亚迪投入大量的研发精力去降低电机损耗,提升电机效率。

首先在电机选型上,比亚迪选择高效永磁同步电机。永磁同步电机有两大优势:其一是制造永磁体的原料稀土,中国储量丰富;其二也是最重要的,永磁同步电机因为有永磁体提供磁场,不需要额外的电流励磁提供磁场,减少了电量的损耗,具有较高的效率优势。

为了进一步提高电机的效率,比亚迪分别从降低铜损、抑制铁损、减少机械损耗等方面入手,通过提高线圈的占积率、优化磁路设计、提高同轴度和使用低摩擦系数轴承等设计方法,逐步减少损耗,提高电机的效率。

此外,通过提高电机转速,电机的体积可以进一步缩小,以提高电机的功率密度和效率。比亚迪已经投入量产的高转速永磁同步电机转速可达15000转/分钟,处于行业的领先地位,且转速更高的永磁同步电机也已研发成功,功率密度与效率进一步提升。

另外,比亚迪在自主研发、生产扁线电机方面已经获得领先优势。扁线电机用扁线取代圆柱形线做电机绕组,节省了圆柱形线和线之间浪费的空间,提升了槽满率和填铜量,使电机功率可以提高20-30%。扁线电机已成为业内公认的未来电机发展方向,但由于其制作工艺复杂,制作要求高,因此尚未普及。不过比亚迪已经突破了生产扁线电机的工艺难关,有望占据未来电机发展的制高点。

比亚迪通过电机的选型,降低电机的损耗,提高电机的转速,以及扁线电机的应用等方面,进一步压榨电机的效率。如今比亚迪电机的最高效率可以达到97%,NEDC综合效率高达94%。

独立研发 技术创新 打造高效节能电机控制系统

电机控制器通过半导体功率开关的开通和关断作用,把直流电转变为交流电,控制电机并决定汽车行驶快慢。电机控制器作用相当于燃油发动机中受ECU控制的喷油系统。通过减少开关的次数和降低电流的输出,可以降低电机控制器中核心部件——IGBT的损耗,从而提高电机控制器的效率。

IGBT在电动汽车上的作用是交流电和直流电的转换,同时还承担电压的高低转换功能。IGBT与动力电池电芯并称为电动车的“双芯”。因其设计门槛高、制造技术难、投资大,被业内称为电动车核心技术的“珠穆朗玛峰”。我国新能源汽车90%的IGBT需求依靠进口,而且交付周期过长,供不应求,严重影响整车研发进度。

比亚迪2005年组建自身研发团队,投入重金布局IGBT行业。2009年打破国外技术封锁,实现IGBT国产化,实现了中国自主研发并生产的汽车级IGBT从无到有的历史性转变。2018年比亚迪发布了IGBT4.0技术,高性能的IGBT4.0在多方面均领先于市场主流产品,实现了国产IGBT由弱到强的转变。

比亚迪IGBT4.0在同等工况下较当前市场主流产品的电流输出能力提升15%,支持整车具有更强的加速能力和更大的功率输出能力。综合损耗较当前市场主流IGBT降低20%,仅此一项技术就可以使全新一代唐EV每百公里电耗降低0.5度。

在电机控制器优化过程中,比亚迪通过脉宽调制优化技术、载波动态调整技术降低开关的次数,减少开关损耗;通过过调制技术和电压利用率优化技术降低电流的输出,减少发热损耗;从而进一步降低电机控制器的整体损耗,提高电机控制器的效率。

此外,比亚迪还投入巨资布局第三代半导体材料碳化硅(SiC)。由于SiC的发热损耗和开关损耗更小,因此,在提升效率方面,比亚迪未来的电机控制器还会有进一步的突破。

高度集成 融会贯通 铸就卓越优势

除了电机、电机控制器本身具有高效率,比亚迪为了进一步提高整个动力组合的效率,将电机、电机控制器和减速器进行高度集成。集成后的产品通过壳体、冷却系统及电路的共用,减少了零部件的体积和重量,使得集成后的动力组合更加简洁,效率更高。

集成式系统相比于分立式系统的体积下降了30%,重量下降了25%,伴随而来的是整车效率的提升。与此同时,功率密度提高了20%,达到了1.96kW/kg,领先于行业水平。

比亚迪根据不同的功率需求,推出大小五种功率的驱动系统平台,分别可以满足比亚迪全系车型的动力要求。高效的驱动系统为比亚迪新能源汽车高性能、高续航做出了卓越的贡献。驱动三合一已经于2018年实现了量产,并建成了数条国际领先的专用自动化产线,月产能已高达5万套。

以上所有这些努力,使得比亚迪电动汽车的动力组合——e平台驱动三合一的NEDC综合效率高达88%,领先于行业水平。目前,比亚迪已经宣布开放共享e平台技术,期待行业伙伴也能用上这套先进的动力组合,以促进新能源汽车产业健康发展。

*本文为品牌特约内容*

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