通过电动汽车下限及行驶分析的技术现状及展望
通过电动汽车下限及行驶分析的技术现状及展望
本电动汽车技术现状分析及展望包括对5种混合动力电动汽车(Hybrid Electric Vehicle)、1种FCEV(Fuel Cell Electric Vehicle)、12种BEV(Battery Electric Vehicle)等18种电动动力汽车的深层分析结果。 在对各车型进行Teardown基准分析的同时,还仔细研究了通过实际行驶监控确保的行驶及充电数据,通过这种多方面的接触,客观评价目前电动汽车技术达到的水平,并以此为基础,提出今后技术发展的方向性和未来展望。图1. 拆解基准测试分析车型Teardown基准与行驶性能评价分析
电动汽车通过Teardown基准分析,从系统单位开始大致分为电动动力总成、热管理、底盘、内外装及车身,到模块、零部件及材料单位进行了分析。 为了准确解释Teardown基准分析信息的技术意义,利用车载测功机,同时进行MCT(Multi-Cycle Test)模式行驶日充电行驶距离评价、快速及慢速充电性能评价,分析了目前上市的全球整车制造商的电动动力汽车的技术水平。图2. Teardown基准测试数据库分类目录图3. 电池动力系统应用示例：a) MCT模式单次充电续航能力评估；b) 快速充电性能测试示例图4. 系统视角下的内燃机与电动汽车对比内燃机汽车VS电动车的差异
从内燃机汽车向电动汽车转变过程中的差异，从系统观点来看，如图4所示，内燃机发动机转化为电动汽车发动机，化石燃料转化为锂离子电池，但这种方法只能理解为相应零部件群的消失，了解电动汽车本质，并在此基础上分析当前技术水平，对未来技术进行展望，需要了解内燃机与电动汽车驱动机制的差异。内燃机汽车的发动机的特点是,与驱动所需的扭矩的转速相比,大小限制为<图5>的a),因此,即使旋转数受到损失,也必须使用变速器来克服驱动负荷。 但是,电动汽车的驱动马达仅使用同时控制电压和频率的逆变器和纵减速齿轮,就可以实现汽车驱动所需的理想牵引驱动扭矩。电动汽车电机理想的驱动牵引扭矩曲线乘以转数即为电动汽车输出，了解转矩、转数及输出的关系，以此为基础，从当前电动汽车的技术水平和今后驱动电机如何发展，到里昂电池的电压、电力转换逆变器的开关频率上升、综合热管理的必要性和轻量化的意义。图5. 驱动机构视角 a)内燃机与 b)电动汽车驱动牵引扭矩差异对比电动汽车电机转速上升
电动汽车驱动的核心--马达的最高效率除了机械手之外,感应马达为96%,永磁同步马达为98%,通过提高效率改善电费的余地不大。 电动机的输出可以用多种方法改变。 为了在构成电动机的电钢板、铜及永久磁铁材料的制造技术和特性相同的水平上提高电动机的输出,可以适用电动机的转子直径扩大、定子认可电流上升及电动机的旋转数上升等。 当电动机的转子直径增大时,如果应用具有相同特性的材料,则可能会出现电动机尺寸增大,效率降低的问题。 在提高施加到定子的电流密度的方法中,由于铜损的增加而导致的发热和电钢板的磁场饱和可能会产生局限性。如果维持构成电动汽车驱动马达的材料的特性,减少马达转子的大小,降低30%左右的扭矩,而将转数从现有的最高10000rpm提高到20000rpm,功率可以提高60%,通过过去10年的Teardown基准可以确认这种变化。图6. 驱动电机扭矩与转速变化时的输出变化电动汽车高电压电池电压上升
第一代电动汽车采用了400V水平的高电压电池,但现在将高电压电池的电压适用到800V以上的事例正在增加。 电动汽车的电池电压上升有利于高速旋转,即使初始驱动扭矩降低,电池电压也会上升,从而延长一定扭矩操作区域,从而提高输出。电动汽车的高压电池的电压上升有利于驱动马达的旋转数上升,适用相同电流时,具有缩短充电时间的优点,但最大的优点是在相同输出下电流与电压上升成正比,因此电流平方成正比的损失减少,因此电池的电压上升2倍时损失理论上可以减少75%。但是,必须解决当电动汽车的高压电池的电压从400V上升到800V以上时,由于绝缘破坏而导致的部分放电的问题和用于控制高压电池电源的连接器的故障率可能提高的缺点。图7. 电动汽车驱动电机转速提升与高压电池电压升高的关联性电动汽车逆变器功率转换元件变化
电动汽车的逆变器利用电力转换元件,以将高压电池的直流转换成三相交流的PWM(Pulse Width Modulation)控制为基础,以多种方式驱动电动机。适用于第一代电动汽车的逆变器的电力转换元件是基于Si的IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)元件,IGBT元件的开关频率最高为10 ㎑,是适合电动机最大转速10000rpm水平的电力转换元件。随着电动汽车的驱动马达进一步高速化,通过效率的提高提高日充电行驶距离,从理论上讲,开关频率可以提高到100 ㎑,实际上适用20 ㎑水平的宽频带间隙SiC基础的MOSFET电力转换元件的应用正在持续增加。图8. 电力转换元件开关频率下的正弦波特性对比增加逆变器的功率转换元件的开关频率有利于电动机的高速旋转,不仅可以减少开关时产生的损耗,而且当开关频率高时,可以提高转换交流的正弦波的质量。电动汽车综合热管理
电动汽车动力总成的核心电池、逆变器及电机均随热控温度不同性能存在较大差异,由图9可知,利用底盘测功机,在同一电动汽车中,在外气温度20~25℃的春秋条件和外气温度35℃的酷暑条件下,扭矩及输出方面存在明显的性能差异。图9的性能比较结果显示,电动机的最大转数为10000rpm,是应用IGBT元件的电动汽车的结果,如果电动汽车的电动机转数进一步上升,电力转换元件变更为SiCMOSFET,逆变器和电动机的发热将更加严重,因此,为了控制这一现象,将采用多种方法的热分离系统,预计今后应用回收废弃热量的热泵的综合热管理系统的应用将会增加。图9. 电动汽车在不同外界温度条件下的性能对比电动汽车变速箱的应用
目前适用于乘用电动汽车的驱动马达使用逆变器和纵向减速齿轮,实现汽车驱动所需的理想驱动牵引扭矩,因此不需要纵向减速齿轮和差速齿轮以外的变速器。但是,如果驱动马达小型化,通过旋转数上升持续适用功率提高技术,进一步降低扭矩,那么在大型客车商用车中优先应用变速器会更有效率。 但是,以现有的内燃机变速器材料和制造工艺,应对20000rpm以上的转数和扭矩带的变化可能会达到技术极限,因此需要开发能够应对这种变化的高速旋转对应变速器材料和多种加工工艺。图10. 采用刨削压力机工艺的齿轮电动汽车轻量化
说到电动汽车的轻量化,大部分人认为只是单纯的车身轻量化,看起来与驱动马达的高速化无关,但轻量化是能够降低驱动马达初期驱动牵引扭矩的核心技术。 即,通过轻量化,即使降低电动机的扭矩,也可以进行初始驱动,并且可以实现优化的扭矩和输出的动力总成为基础,成为经济有效的电动汽车。真正的轻量化不是适用轻量材料,而是适用适才适所的材料,电动汽车的轻量化固然重要,但轻量化的效果比车身高出10倍以上的驱动相关的动力总成和悬架负荷(Unsprung Mass)的底盘配件的轻量化更加重要。图11. 轻量化概念解析示例 a) 宝马i3铝合金副车架与 b) 本田飞度钢制副车架本稿通过对18种电动动力汽车的深层Teardown分析和实际行驶数据的研究,提出了电动汽车技术的现状和未来展望。 电动汽车与燃油车在驱动机制上有着根本的区别，确认了驱动电机高速旋转、高压电池系统应用扩大、SiC基功率转换元件应用增加等关键零部件技术正在快速发展。 另外,维持性能及提高效率的综合热管理系统的重要性正在增大,今后变速器的应用及材料技术的发展也将成为重要课题,车辆轻量化将成为改善驱动性能及效率的核心技术。 电动汽车技术正在朝着通过持续革新实现性能和效率最大化的方向发展,预计这将进一步加速未来移动出行模式的变化。
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