【解析】新能源汽车电驱动效率提升策略

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    发表于:06月07日 15:53  浏览量: 370  来源: 未知
摘要:如何判断一套电驱动系统的技术先进性?效率、功率密度、NVH这些是最直观的判断。其中,电驱的效率决定了将电能转化为机械能过程中的能量转化率。


一  电驱动效率影响范围


如何判断一套电驱动系统的技术先进性?效率功率密度NVH这些是最直观的判断。其中,电驱的效率决定了将电能转化为机械能过程中的能量转化率
具体来说,电驱系统的效率是指其输出机械功率输入电功率之间的比率。高效电驱系统能够在消耗相同电量的情况下产生更多的动力,或者在提供相同动力需求时减少电能消耗。
举个简单的例子,在电动汽车中,电机从电池获取电能并将其转化机械能来驱动车轮。如果电驱系统的效率是95%,则表示每消耗100单位的电能,其中的95%被有效利用以驱动车辆前进,剩余的5%则以热损耗等形式损失掉。
一般情况下,电机的效率能达到约90%,而整个电驱系统的效率可能在此基础上进一步优化,综合考虑电池充放电效率、逆变器效率等各个环节后,整套系统的工作效率可以在68%至95%之间波动,具体取决于各部件的设计和整合程度。

01.电驱效率的重要性体现在哪些方面?
能源利用效率:高效率电驱意味着更少的电能损失,对于电动汽车(EV)等应用尤其重要,因为它直接影响到车辆的续航里程和充电周期的经济性。
节能减排:更高的效率有助于降低能源消耗,减少碳排放和其他环境影响,符合绿色可持续发展的目标。
成本效益:对于工业、交通和其他应用领域,高效的电驱系统可以降低运行成本,长期来看经济效益显著。
性能提升:在电动车辆中,电驱效率还影响到车辆的整体性能,包括加速、爬坡能力以及电池组容量的合理使用。
热管理:高效率电驱系统产生的废热较少,从而简化了冷却系统设计,减轻了对热管理系统的要求。
02.效率“损耗”怎么解决?
电驱的效率“损耗”,主要还是来源于电机减速器这两方面。
 电机方面
从电机的角度来看,提高效率的方法无非就三点:材料电磁设计冷却结构。采用高性能永磁材料或改进电磁设计可降低铁损和铜损。
由于永磁同步电机无需外部电源为励磁绕组供电以产生磁场,因此消除了励磁损耗,这相比传统的电励磁电机来说是一个重要的效率优势。
此外,高性能永磁材料还具有较高的最大磁能积(BH)max,能够提供更强、更稳定的磁场,从而在相同体积下产生更大的转矩,提高电机的工作效率。


通过优化设计,使用高性能永磁材料的电机还可进一步减小定子绕组的电阻,减少铜损;同时,通过改进磁路设计选用低损耗硅钢片等材料,也能有效减少铁芯中的铁损。

优秀的电磁设计是可以使电驱系统的总损耗显著下降的,尤其是在电驱系统的关键组件电机和电力电子设备上,通过针对性的设计优化,可以使得电驱系统的整体效率得到数个百分点乃至更多的提升。

扁线绕组是一方面,增加槽满率,降低电阻损耗,改善散热条件;电机内部的磁路结构也是一方面,如增大磁轭截面积、减小气隙长度和优化磁极形状等,这样可以减少磁滞和涡流损耗,


同时,设计高效的三相逆变器拓扑结构,例如改进PWM调制策略减少开关次数,也可进一步减少开关损耗增加效率。
然后就是冷却结构,良好的冷却结构能够控制温升,使电机能在高温环境下仍能保持较高的输出功率和效率。
其次,在车辆制动时,高效的冷却系统还可以更快地将再生制动产生的热量散发出去,使得电机能够迅速进入下一个工作周期,以此来提高效率。
 减速器方面
减速器在电驱系统中的作用是降低电机输出的转速同时增大扭矩,以满足车辆实际行驶所需的力矩和速度要求。
一个优秀的减速器设计对于优化电驱系统性能和提高效率至关重要,现代电动汽车中普遍采用的集成式电驱动桥(将电机和减速器集成在一起)就是这种理念的体现,它在保证动力性能的同时,也极大地提升了系统能效。
高质量、高效率的减速器设计可减小齿轮啮合过程中的摩擦损失机械振动,确保能量传递过程中损耗降到最低,提升系统整体传动效率
另外,合理的减速比也能够充分利用电机的最大功率,使得电机在合适的工况下提供足够的驱动力,这样不仅可以改善车辆加速性能,也有利于提高能源利用效率
一体化的设计也可以相对提高一些效率,将电机、减速器和逆变器等部件进行深度集成,减少传动链中的能量损失,简化结构并减轻重量,可间接提高效率。

目前,新能源电动车电驱系统的整体效率已经在不断提升,并且部分高端或创新技术应用的车型已经能够实现非常高的转化效率了,这对提高电动车续航里程、降低能耗以及减少碳排放等方面都有积极的影响。而随着技术进步与迭代,相信未来的电驱系统效率还会进一步提高,我们拭目以待。


二  提高新能源汽车电机效率方法
要想提高电机效率,就要降低电机的损耗,电机损耗大致分为铁损,铜损,机械损耗。如下图是永磁同步电机损耗随着电机速度的关系图,从图中可以看出可以看到在铁损和机械损耗占比是比较大的逐渐加大,随着速度增长,铁损上升幅度较大。对于电机来说机械损耗以及很难再降低了,下面着重讲讲降低铜损和铁耗。

图1 损耗随电机转速变化图

如何降低铜损


电机铜损耗由流经铜绕组的电流发热产生,在不考虑集肤效应的前提下,铜耗公式如下:


其中I与m一般是确认的,降低铜耗一般就是降低每一相的电阻。

首先,导线横截面面积越大,电阻越小,因此采用扁铜线代替圆形可以降低铜损。

其次,电机铜线高出铁芯高度是对性能没有帮助,但是会增加每相电阻,因此降低H的高度能降低铜损。因此对比扁铜线方案I-pin和H-pin,H-pin的铜损相对较低。

图2 电机绕组高出铁芯高度示意图

以上是不考虑集肤效应的情况,那考虑集肤效应呢?当电流交变频率过高时, 粗铜导线容易产生集肤效应,即电流集中在导体表面。集肤效应将使电流流经导体的截面积减小,电阻增大,产生更多铜损耗。

以上总结,电流频率越高,铜损就越大,车用永磁同步电机输入的三相交流电经逆变器形成,如果逆变器输出电流波形的谐波成分越多,则产生更多的铜损耗。因此控制逆变器输出波形的谐波含量也可以降低铜耗。

如何降低铁损


铁损主要针对硅钢片和永磁体,分为两个部分,磁滞损耗和涡流损耗,降低硅钢片损耗:硅钢片损耗主要时磁滞损耗和涡流损耗两种,其公式如下,


其中Ph为磁滞损耗,Pe为涡流损耗,对应的Kh为磁滞损耗系数,Ke为涡流损耗系数。

在电机设计确定后,Bmax是一定的,f和电机转速和电流谐波含量相关(可见控制器好坏很大程度也在影响电机损耗)。因此降低磁滞损耗系数Kh和涡流损耗系数Ke成为降低损耗的主要途径。

Kh是根据硅钢片生产厂商所提供的实测铁损耗曲线用最小二乘法求得,如下图,因此选用迟滞损耗低的铁芯是降低铁损重要途径。

图3 铁芯损耗系数

Ke公式如下,以以下公式可知,硅钢片越薄则涡流损耗系数越小,涡流损耗越低:


降低永磁体损耗:永磁体损耗主要是涡流损耗,硅钢片通过减少单片厚度减小涡流密度,同样永磁体也可以通过分段来达到降低涡流损耗目的。相对而言永磁体损耗在整个损耗占比是十分小的,大概是总体铁耗十分之一。

图4 分段式磁钢示意图
3 总结
以上介绍了降低铜损和铁耗的方法,其实就电机而言能选择的方法不多,毕竟考虑损耗的同时还要兼顾性能,因此相对而言降低控制器输出的谐波含量对降低电机损耗十分重要。


三  提高新能源汽车电控效率方法

比于电机来说电控的效率是非常高的,损耗来源也无非是IGBT和二极管这种发热相对较大的电子元器件。
其实也可以这么说,相比于效率,电控更加关注提高控制精度,降低谐波含量以及电驱安全功能。本篇除了讲讲提高电机控制器效率,随便讲解下影响控制器效率的几个因素

1  控制器损耗的组成

电驱动系统损耗关系如下图,电控的损耗包括:IGBT 开关损耗,IGBT 导通损耗,二极管稳态损耗,二极管反向恢复损耗。



IGBT 开关损耗:

IGBT 导通损耗:

二极管稳态损耗:

二极管反向恢复损耗:


式中,Eon 和 Eoff 分为每次开关的导通和关断能量损耗,这由给定参考电压的数据表提供;fs为IGBT开关频率,ic 为导通电流;tj 为结温;iL 为交流电电流峰值;Uref 为 IGBT 阻断状态电压;iref 为通态电流;UCE(SAT)为 IGBT 饱和压降;D 为 PWM 波占空比;δ 为输出电压和输出电流之间的相位差;UCE 为二极管正向压降;iR为二极管恢复电流峰值;tR 为反向恢复时间;UCE(PK)为二极管恢复时两端的峰值电压。
                                        2 影响电控效率的因素
这里讲电控效率影响更加偏向硬件,即电控控制策略以及电机标定处于同一水平。(电机标定参数会影响到控制策略,同时影响整个电驱的效率)

对上一节进行分析可知,低的直流母线电压和开关频率可降低逆变器损耗,但是直流母线电压Udc是跟着整车平台走的,不能变的;峰值电流iL是电机方案下来后确定的。因此目前提高控制器效率的比较有效的措施是在fs,Eon,Eoff这些参数下文章。下面是基于这两个参数提供的提高效率的方法

低速下降频:低速在电机低速运转时,三相电流频率不高,此时可以采用 IGBT降频的方式来提高电控在低速下的效率,当然这点也需要综合电驱NVH表现。
使用开关损耗更低的SIC:目前随着整车平台电压提高,IGBT的开关损耗会进一步加大,因此目前更低导通损耗的SIC在高压平台上应用的越来越广,目前车规级SIC的国产化也是如火如荼的进行,相信随着SIC价格下降以及相关工艺(银烧结)成熟,SIC的应用会越来越广。

3 总结

总的来说,在电机标定水平,控制策略一定的情况下,在硬件上优化电控效率的方法不多,所以不得不感慨软件才是电控核心。
在谈论电驱效率时候不能简单分解电机和电控,因为电控在很大程度上是影响电机效率的,因此如果电驱效率达不到要求,更应该从电控中找原因,这也是为什么软件才是电控核心,毕竟在硬件上挑战就意味着成本的增加。

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