【科技最前沿】美国新能源电驱新方向总结篇科技最前沿
为期四天的2020美国年度汽车会议回顾及技术现状总结的年会于上周落下了帷幕。各成员围绕“新材料、新思路、新设备、新方法”为主题，以新能源电动汽车技术为中心展开了全方面的精彩纷呈地探讨。魅力无限的探索研究及成果给所有的参会人员带来了一场知识的视听盛宴，同时也推进了DOE整个2025规划目标的新进展。从目前的进展来看有些项目已经提前取得了阶段性的胜利，已经可以达到2022年的目标规划。
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对于产品的研发，不同的环境、不同的体制、不同的应用，可能就对应着不同的解决方案。从我们电驱的角度出发，也是一样的。我认为这世界上没有技术的专家，只有产品专家。不同应用场景，所需要的知识可能很不一样。但是，知识背后的逻辑是不变的，从需求端出发去寻找解决方案的途径是唯一的。会议共享的电磁、控制、电力电子、传感器、仿真技术等知识却是不变的。所以，从本次电驱新技术的维度来看，本次会议有些技术观点和技术路线还是值得我们去借鉴和学习的地方。本期就和大家一起总结下，关于三电的值得我们学习的那些事。
根据 ANL 统计数据，在永磁同步电机中，稀土磁钢的重量仅占据整机重量的 2.5-4.5%，但成本已经占了整个车用驱动电机成本的 20-30%。稀土价格上涨时甚至可以达到 50-60%。因此，原材料成本的波动对于电机生产成本具有直接的影响。综合考虑电机其它原材料的成本，磁钢毋庸置疑成为了最有可能突破的方向。
虽然现在国内稀土资源很丰富，但是长远考虑用好稀土并减少稀土的用量也是值得我们去考虑的。目前，国内的一些研究机构也取得了一些不错的成果，比如铁氧体助磁的永磁同步电机、少稀土的永磁助磁同步磁阻电机、可变磁通电机等都有了比较好进展。对于未来替代永磁同步的可能性也非常大。
部分可参考的项目：
► Wound Field and Hybrid Synchronous Machines for EV Traction with Brushless Capacitive Rotor Field Excitation.
► Non-Heavy Rare-Earth High-Speed Motors.
► Development of Sustainable High Performance Magnetic Materials for Exceptional Power Density Electric Drive Motors.
► Soft Magnets to Achieve High-Efficiency Electric Drive Motors of Exceptional Power Density.
► Design, Optimization, and Control of a 100-kW Electric Traction Motor Meeting or Exceeding DOE 2025 Targets.
► Motor with Advanced Concepts for High power density and INtegrated cooling for Efficiency (MACHINE).
在一定频率和磁感应强度下的铁心损耗，是硅钢片的一项主要指标。铁心损耗包括两部分：磁滞损耗和涡流损耗。磁滞损耗是由于铁心在交变磁化时所引起的能量消耗，与材料的成分和晶粒的大小有关，可用磁滞回线的面积来表示。涡流损耗是由于铁心交变磁化时产生涡流而引起的电阻损耗，与材料本身的电阻率及厚度有关。另外，冲片的导磁性能越高，在磁通量不变的情况下，可缩小磁路的截面积，节约励磁绕组用铜量，减少电机体积。另外，含硅量和杂质硅对硅钢片性能起决定影响。铁中加入硅后，电阻率增高，同时有助于将有害杂质碳分离出来。一般纯铁加入硅后，磁感应强度有所降低，但显著降低了铁耗。随着含硅量的增加，硬度和脆性增高，给轧制、冲裁，剪切以及机械加工也带来困难。目前硅钢片的含硅量，一般不超过4.5%。含硅量再高，就很难进行轧制和加工。由此看来研发新型的硅钢片对于进一步降低电机的成本以及提高整体的功率密度起到了非常重要的作用。如下表：橡树岭国家实验室公布的数据0.2mm的样品在400Hz和1000Hz低铁损值已经达到了行业领先的水平。0.1毫米样品的W10 / 400仅为6.1W / kg。
部分可参考的项目：
► Cost Effective 6.5% Silicon Steel Laminate for Electric Machine.
► HIGH-SPEED HYBRID RELUCTANCE MOTOR WITH ANISOTROPIC MATERIALS.
► High-Fidelity Multiphysics Material Models for Electric Motors.
► Development of Sustainable High Performance Magnetic Materials for Exceptional Power Density Electric Drive Motors.
►Isotropic, Bottom-Up Soft Magnetic Composites for Rotating Machines.
热管理系统是从系统集成和整体角度出发，统筹热量与驱动系统之间的关系，采用综合手段控制和优化热量传递的系统。可以根据行车工况和环境条件，调节冷却强度以保证被冷却对象工作在最佳温度范围，从而保证驱动系统的安全性能。另外，先进的热管理系统又是提升电驱系统功率密度最佳的措施之一。
奥迪电机冷却系统
电机控制器通过接收整车控制器发送的CAN信号，将从动力电池输出的高压直流电转化为相应的三相交流电，输出给驱动电机，使其运行在指定的转矩和转速下。电机控制器的热量来源则主要是IGBT与二极管的开关损耗、通态损耗，会产生大量的热量，当内部的热传导与对流换热无法将多余的热量带走，则带来温度上升不仅影响其工作效率，还缩短其寿命甚至烧毁，导致电机及电机控制器系统不能工作。因此，驱动器的热管理技术也是很重要的一部分。
同样，电池包经常以大电流持续放电，此时电池内部温度迅速升高。当电池管理系统中的热管理模式处于失效状态，中心位置热量不断积累导致温度过高，出现电池热失控等危险情况。因此，也需要对电池进行有效的热管理，降低其温升，保证电池在正常温度范围内工作。
由于电机与电控的适宜工作温度区间相近而又都与电池的适宜工作温度区间相差较大，因此一般把电机与电机控制器放在一个冷却回路中，而电池单独作为一个冷却回路。这方面橡树岭做了大量的基础测试的工作。（项目编号ELT:211）
部分可参考的项目
► Power Electronics Thermal Management.
► Electric Motor Thermal Management.
► Integrated Traction Drive Thermal Management.
►Integration Methods for High-Density Integrated Electric Drives.
仿真技术和设计技术的突破是一项综合技术的产物，它是温度、磁场、电力、机器相互交叉融合的产物。它们相辅相成，并相互影响。例如，温度升高或者降低都会影响磁性材料电磁的大小和磁场的位置，而这样又会影响到电机的工作效率与耗能的多少，从而也会直接影响电机内部零件的磨损程度，而磨损程度的变化对电机本身的温度又产生一定的影响。因此，现代电机中的每一个环节都是不能忽视的，任何一个环节出现差错都会牵一发而动全身。所以，具有综合性的仿真技术和设计技术就显得尤为重要。
仿真服务是技术的基础，包括了高精度的算法、自主可控的仿真工具、快速低价的云计算和大数据。同时，未来以仿真和数字样机技术可以覆盖设计、采购、制造和销售等在内的产业链各个环节。这样全流程的放着技术能够很大程度上加快设计过程、缩短设计周期、提高产品质量，具有较大的意义。
部分可参考的项目
► High-Fidelity Multiphysics Material Models for Electric Motors.
►Multi-Objective Design Optimization of 100-kW Non-Rare-Earth or Reduced-Rare-Earth Machines.
汽车巨头丰田展示过全SiC模组的PCU。相比之下，碳化硅PCU仅为传统硅PCU的体积的1/5，重量减轻35%，电力损耗从20%降低到5%，提升混动车10%以上的经济性，经济社会效益十分明显。
另外，用SiC的做成的功率模组可以相应的减少了电容、电感、线圈、散热组件的部件，使得整个功率器件模组更加轻巧、节能、输出功率更强，同时还增强了可靠性，优点十分明显。另外，SiC材料在高铁、汽车电子、智能电网、光伏逆变、工业机电、数据中心、白色家电、消费电子、5G通信等领域有着广泛的应用，市场潜力巨大。其实DOE已经掌握了很多SiC的基础科学的技术，本次基于在新能源汽车上的应用项目汇报也有很多的进展。
电控系统要有高控制精度、高动态响应速率，并同时提供高安全性和可靠性。电机电控系统作为新能源汽车产业链的重要一环，其技术、制造水平直接影响整车的性能和成本。目前，国内在电机、电控领域的自主化程度仍远落后于电池，部分电机电控核心组件如IGBT 芯片等仍不具备完全自主生产能力，具备系统完整知识产权的整车企业和零部件企业仍是少数。在2020年前补贴逐步下降甚至之后退出，对于主机厂来说，最重要的工作是如何降低动力电池的成本，也是技术与市场博弈的关键阶段，如果技术受制于人，降成本将难于上青天。
部分可参考的项目
► Highly Integrated Wide Bandgap Power Module for Next Generation Plug-In Vehicle.
► High-Voltage, High-Power Density Traction Drive Inverter.
►Development of Next-Generation Vertical GaN Devices for HighPower-Density Electric Drivetrain.
► Power Electronics Thermal Management.
► Advanced Power Electronics Designs – Reliability and Prognostics.
► Heterogeneous Integration Technologies for High-Temperature, High-Density, Low-Profile Power Modules of Wide Bandgap Devices in Electric-Drive Applications.
► Implementation of WBG devices in circuits, circuit topology, system integration as well as SiC devices
►Cost-Competitive, High-Performance, Highly Reliable Power Devices on Silicon Carbide and Gallium Nitrid
写在最后
如果说电池系统是电动汽车的血液，电控系统是电动汽车的大脑，那么电机系统则是电动汽车的肌肉。只有三电系统整体的技术革新才能够取得最后的胜利，才能在与燃油车的竞争中在成本上取得优势。由于本次线上会议信息量太大，涵盖了新型材料应用、驱动电机、驱动器、充电装置、能效管理等方方面面的技术资料。本次“一文读懂美国新能源电驱技术新方向”系列仅仅是小编个人的解读以及网络佚名的观点，涵盖的只是电机、控制器、新型材料一部分的研究现状及结论。整个会议的论题是很丰富的，强烈建议大家能够下载进行解读。相信还会发现另一片的新天地。另外，为了方便大家阅览，整个三电的70篇相关汇报主题及核心观点已经翻译成中文供大家参阅。
最后重点来了，做产品的多领域仿真我们是专业的，近期我们会选取整个2025规划项目中的相关典型技术进行原理的解析、案例的建模、性能的仿真和大家一起深度解析项目背后的先进技术
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