為什么要用碳化硅?解析蔚來第二代電驅系統

2021-10-20 10:09:27 作者:崖雍

  【太平洋汽車網 技術頻道】就在昨天(10月19日),南京XPT(蔚來驅動科技)工廠里舉辦了一場媒體溝通會,一同分享了「蔚來ET7詢底價|查參配)電驅動系統」,這也是蔚來旗下首款采用碳化硅功率模塊的車型。南京XPT工廠作為蔚來整個制造系統起步的地方,早在2017年整個白車身的試制和整車的試制都在這里完成的,可以算得上是蔚來制造的「老家」。

為什么要用碳化硅?解析蔚來ET7電驅系統

  關于當初李斌所說的「花錢買時間」,也正是因為當時的江淮工廠還處于建設階段,花了一年的時間在這座工廠趕工藝,蔚來ES8才能在三年內就完成了整車的開發。

為什么要用碳化硅?解析蔚來ET7電驅系統

  對于這座工廠的定位,蔚來高級副總裁 曾澍湘表示「電驅動系統上海主要以研發為主,南京主要進行工業化和工藝的開發,同時進行生產制造?!?/p>

  在大家一直強調蔚來的服務時,似乎會片面的認為蔚來在技術功底方面是不是差點意思?而蔚來給出的答案是「電驅動系統全棧自研及制造」,這也是全球唯二的廠商能夠做到的制造能力,對于另一家是誰?大家都心中有數。其中電驅系統已獲得及在申請專利數達215項,其中81項是發明專利,這也是證明蔚來是能夠持續創新最好的事實。

再苦也不能苦研發

  首先關于蔚來在電驅動系統的開發,曾澍湘認為「其它車廠的研發更多的是產品開發最后階段的驗證過程,如果按照我們這個全棧自研的標準,就是說軟件是不是自己寫的?電路板是不是自己開發的?芯片是不是自己選的?這是我們定義全棧自研的一個方式?!?/p>

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  要想讓數百人的研發團隊能夠全身心的投入到研發中來,首先必須得有錢,蔚來「再苦也不能苦研發」。蔚來從2015年開始組建的電驅動團隊,到目前在研發、試驗、設備以及軟件工具上投入了大概2.5個億,產品的開發試驗費用占1.3個億左右,實驗臺架的費用占1個億,購買各種軟件工具就花費了將近3千萬。

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  南京XPT工廠的產能方面,設計綱領達到30萬臺,實際達到了32萬臺電驅動系統的生產能力。而今年截至到10月12日,蔚來三合一 EDS 電驅動單就已經突破了30萬臺,基本上每年都是翻番的狀態。同時該工廠具備「永磁電機+感應電機」生產,在整個行業內都是比較少見的。

為什么要用碳化硅?解析蔚來ET7電驅系統

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  從蔚來電驅動系統的迭代來看,首先是保持雙電機的策略不變,目前的 240kW 感應和 160kW 永磁是第一和第二代產品,蔚來ET7搭載的300kW 感應和 180kW 永磁則是第三代電機產品, 而此前發布的220KW 高功率永磁電機,可以算得上是「第四代電機產品」。

首次應用碳化硅功率模塊

  而關于蔚來ET7電驅動系統的技術講解環節,首先由蔚來電驅系統與集成部負責人 畢路來進行解讀。

  蔚來ET7在此前的電驅動系統的基礎上進行了升級,前永磁同步電機功率達到了180kW,后異步感應電機功率達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系統中使用了「碳化硅功率模塊」替代了傳統的「硅基IGBT功率模塊」,以彌補傳統硅基IGBT電壓范圍窄、通過的電流不夠大的劣勢。

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  「第三代的電驅從外觀上來看整體是沒有差別的,使得生產的產線得到了最大的兼容,同時在整車上也同樣保持著這樣的物理兼容,將來才有可能進行互換?!?/p>

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  其中180kW永磁同步電機在同等的空間,同等的邊界尺寸,同等電壓水平下,性能方面實現了提升,這里面包括電機類型的選擇,轉子磁鋼選型上都進行了一些具體的開發。而后異步感應電機通過電磁的優化,使得模塊電流的提升,從而實現性能的升級。

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  優化減速器速比這一方面,蔚來是通過多目標的優化,提升效率的同時,同時提升速度。減速器速比「從9.57提升到了10.48」。

  對于后異步感應電機的IGBT模塊,「從900A 提升到了 960A 」,「這是基于整個系統的熱管理系統的優化,以及我們基于應用的工況下,對模塊的壽命進行精準的預估」。

車輛性能與NVH的取舍

  相比于160kW電驅系統,在NVH方面進行了一系列的優化,例如「懸置融合控制的EDS總成模態優化、電機非均勻氣隙及高正旋氣隙磁密、齒軸結構優化設計和控制器諧波注入與控制策略的優化」。

  大家都知道當電機的功率和扭矩有了提升之后,就會產生一些諧波上的負面影響,蔚來也與電機的合作伙伴專門針對NVH進行了細節優化?!竿ㄟ^電磁優化(非均勻氣隙)均衡電磁徑向力,并通過氣隙的正旋化,優化了扭矩波動,達到最佳的NVH表現?!?/p>

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  在減速器中,齒輪的齒形齒向也同樣進行了微米級的優化,保證誤差在10微米之內,齒輪嚙合的過程中才會更加的緊密,噪音也會更小。

  最后是通過軟件控制算法的形式進行優化?!傅谝浑A段是諧波的抑制,第二階段是諧波的注入,進行相互的抵消,第三階段則是進行音頻的調制,雖然在ET7上并沒有應用,在后續上會進行一定的加用?!?/p>

有了電機加熱 直接舍掉加熱器?

  「電池在低溫下的性能較弱,電機系統通過開發特殊功能,在低溫下通過優化利用電機的廢熱加熱電池,最大能提供超4kW的加熱功率,優化了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增加,同樣通過軟件進行抑制,通過軟件諧波控制算法,消除該工況下的噪音。

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  由于車輛有了電機的主動加熱,關于會不會取消掉車上的PTC,例如特斯拉的做法那樣。

  蔚來智能功率電子系統部負責人 洪文成則表示「我們在開發的過程中是和整車的同事一起聯合去開發的,確保他們按照整車的控制策略,以及它的電池需求,然后在滿足用戶的體驗基礎上,再看是否會是取消,還是進行一個降級,這是他們有更多的一個考量,在加熱這一塊,我們得確保滿足他們的要求」。

為什么要用碳化硅功率模塊?

  關于蔚來ET7的主驅系統——180kW的永磁電機,為什么會用上碳化硅功率模塊?「首先一切從用戶的利益出發,如果這一項開發對用戶有利,那我們就要去做,而且是盡快去做」。而現在「貨架」上沒有一個完整的碳化硅模塊量產,所以蔚來就得自己造,比其他友提前半年到一年的量產,這就是搶先所帶來的優勢。

為什么要用碳化硅?解析蔚來ET7電驅系統

  首先從碳化硅功率模塊的特性來看,碳化硅模塊在低載時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化為功率可調的交流電,所帶來的好處就是性能的提升,跑得更快的同時,續航里程更長,這也恰好符合蔚來汽車高性能的產品基因。

為什么要用碳化硅?解析蔚來第二代電驅系統

  再加上「電池的容量越大,使用碳化硅能夠帶來的利益也就越多」,其實這是整個體系能力的增強,效率更高。此次蔚來汽車并沒有公布具體的成本情況,因為帶來能效提升的同時,成本也會增加,兩者之間的帳還得好好的算一下。

為什么要用碳化硅?解析蔚來ET7電驅系統

  從碳化硅功率模塊上來看,評價它的指標主要有兩點。一是導通電阻,這是決定模塊損耗的高低,另一個就是熱阻,可以有效的提升散熱能力。

  關于驅動電路的設計,其實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「通過多輪的優化設計,減少環路的電感,去優化驅動參數,以及驅動芯片的選型和應用等,來實現整個硬件系統的優化與設計」。

為什么要用碳化硅?解析蔚來ET7電驅系統

  在軟件方面同樣要進行系統的考慮,車速較低時,就會降低電開關的頻率,使開關的損耗減少35%,高負載時會進行過調制優化策略,減少損耗的同時提升效率?!钙鋵嶊P于碳化硅的應用在硬件和軟件上會去做一個系統性的思考和系統性的優化」。

蔚來電驅系統首次出口

  接著,我們在媒體交流的環節中,我們從中還是提取到了一些比較有意思的點,如下:

 
 

Q&A 要點

1

180kW的永磁電機的總體重量保持在了88kg,功率密度提升到了2.0kW/kg。

2

關于多擋減速器,蔚來采用的是使用擋位固定的方式,把轉速進行提升,提升到了16000轉/分。

3
碳化硅功率模塊的供應問題,蔚來與合作伙伴簽了一些長期的協議,以保證優先的供貨。
4
關于「多合一電驅」,曾澍湘表示,「不認為做機械的集成就是一個創新的產品,從長期來看,是怎么做功能融合的集成,這才是有挑戰的」。
5
關于下一個平臺,整個研發團隊的資源在今年增加了百分之百,結合未來幾個平臺的需求,蔚來都在儲備電機的技術,保證電機的推出一定是行業領先的。
6
碳化硅功率模塊的供應商排著隊讓蔚來進行評估,這就有點凡爾賽了。
7
關于「電驅動系統」對外銷售的問題,蔚來最珍貴的是工程資源而不是產線資源,例如行業內緊缺的16000轉以上的測試平臺。目前XPT工廠正在與美國的一家初創公司進行合作,但整體的規模比較小。
8
按照時間點來看,蔚來子品牌將不會搭載180kW永磁電機。
9

關于無線電池管理系統,蔚來有這方面的打算。

10
第二代電驅系統暫時不會出現在蔚來ES8、ES6、EC6上。

  此次的溝通會結束之后,我們還參觀了一下XPT工廠,但由于工廠園區內是禁止拍照的,所以本文的配圖基本上都是來自蔚來官方。

為什么要用碳化硅?解析蔚來ET7電驅系統

  在這個占地528畝的XPT工廠里,擁有EDS電驅動產線及PEU電機控制器產線,并且還有大量的設備正在調試當中,以滿足新一代電驅動系統的產能需求。

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  工廠內采用了大量的機械臂以及AGV小車進行加工作業,包括在防錯方面,使用了許多的高清攝像頭進行拍照,并依靠MES系統可進行隨時的溯源。

全文總結

  此次搭載了碳化硅功率模塊的前永磁電機,首先就會造成研發成本的增加以及生產成本的增加,這也是蔚來要發布更具差異化平臺的原因之一,以尋求在多種車型中的定位更加精準,才能實現更大的投資回報率。(圖/文/攝:太平洋汽車網 崖雍)

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