高速电驱盘点以及面临的技术挑战和发展趋势

汽车工艺师 2024-09-11
高速电驱概述
通过提高驱动电机的最高转速，可以降低电机的转矩要求，从而减少电机的体积和质量，提高电机的功率密度。
或者说，高速电机是在保持电机体积重量不变的情况下提高功率，从而提升动力性能，打造更高极速和更快加速度的高性能车；或者在功率不变的情况下，降低扭矩，减小尺寸和重量，提高功率密度，将成本降下来。
如果电机的转速提升到35000rpm，那么它的整体重量就能减少40%，也就是说需要的铜、磁铁量就能减少70%。
高速电机因其功率密度高、体积重量小、工作效率高等优势明显，高效稳定的驱动系统是充分发挥高速电机优异性能关键所在。
高速电驱的优势
（1）高效能：较高的效率可以将更多的电能转化为机械能，降低能源损耗，有助于提高新能源汽车的续航里程和能源利用效率。
（2）高功率密度：较高的功率密度可以在较小的体积内提供更大的动力输出，使得新能源汽车能够在性能和效能方面取得更好的平衡。
（3）快速响应：较低的惯性和较高的响应速度可以快速调整输出功率和转速，提供更灵敏的驱动性能和操控体验。
更高的电机转速能够提高功率密度和原材料利用率，使得体积更小、功率更高，因此高转速是电驱动发展的必然趋势。
高速电驱的发展趋势
普锐斯第一代产品转速才6000r/min，然而到了第四代产品已经达到17000r/min。目前16000~18000r/min是主流，部分高性能车18000~20000r/min的电机也开始批量应用：

  • 哪吒浩智电驱：20000rpm

  • 华为新一代DriveONE：22000r/min

  • 博格华纳：20000r/min

  • 智己LS6：21000r/min

  • 比亚迪易四方：20500r/min

  • 埃安夸克：22000r/min

  • 日立Astemo：22000r/min

  • 东风马赫：30000r/min

  • 无锡星驱：24000r/min

  • 极氪001FR（威睿）：20620r/min

  • 均联电子：20000r/min

  • 红旗：34000r/min

  • AVL：30000r/min

  • Tesla Model S Plaid：20000r/min

但高速电机面临技术和成本的双重挑战：高速电机的制造成本相对较高，需要优化制造工艺和降低材料成本，同时确保其可靠性和耐久性，以满足新能源汽车的要求。
高速电机类型的选择
（1）中低速工况的应用中，永磁电机以效率优势占据主流；
（2）中高速工况的应用中，感应电机和永磁电机并存；
（3）在超高速应用中，感应电机居多。
高速电机的结构强度问题
电机高速化使得转子轴扭振加剧，对壳体和轴的强度提出了更高要求。因此需采用电机和减速器共壳体来提高壳体模态，从而减少装配误差积累。采用电机轴和减速器轴共轴方案，可以有效减少对中误差积累，减小电机轴扭振强度。
高速电机的机械结构问题，主要是高速永磁电机转子硅钢受材料自身硬度和强度限制，转子机械结构必须要克服离心应力，由于永磁材料承受转子高速旋转产生的拉应力有一定限值，烧结而成的永磁材料不能承受高速旋转产生的拉应力，难以承受高速带来的巨大离心力。
因此许多公司设计高速电机转子采用的整体设计思路是减少电机外径小、加长转子，这样的设计策略可以减少离心力对转子的影响，部分企业或采用高强度硅钢片，或在转子上缠绕碳钎维。
碳纤维复合材料相比钢材的导电率低得多，可减少对磁场的干扰，碳纤维薄的壁厚与低的导电率相结合提高了永磁电机的功率密度，并且碳纤维的低热膨胀系数也能让套筒与转子之间实现强力机械结合。
（1）一般高速电机采用金属护套，要保护永磁体，还要防止护套失效，避免应力集中，如果磁钢不填满整个圆周，则会在护套和磁钢上都出现应力集中；
（2）超高速电机采用碳纤维缠绕，解决隔磁桥的问题，提高磁通量；目前特斯拉已经批量生产碳纤维转子，满足高速需求、增加扭矩等；博格华纳在4月份分享了一款25000r/min碳纤维转子；难点在于碳纤维缠绕的均匀性及碳纤维材料预紧力的选择，同时还要考虑缠绕包裹物的残留碎屑对气隙的影响。
▲特斯拉取消隔磁桥采用碳纤维缠绕的转子
（3）将转子做成实心一体结构，例如储能飞轮的电机，也是方向之一。
高速电机的部件选型问题
轴承作为电驱动系统的关键部件之一，需要满足电机高温、高速的严苛运行环境，满足电机的可靠性和耐久性要求。高速电机的轴承选择：一般有滚珠机械轴承、滑动机械轴承、空气轴承和磁悬浮轴承等。空气轴承用在功率和尺寸较小的场合，磁悬浮轴承用在功率较大的场合，机械轴承需要油润滑。
高转速对轴承、齿轮和齿轮润滑油都带来更大的挑战，NSK等国际轴承制造商已经初步具有极高转速轴承解决方案，随着转速的升高齿轮啮合的滑移率会逐步增大，齿轮发生点蚀、烧蚀的风险增高，这需要抗剪切性能更高、高润滑、低摩擦、抗高温性能更优良的润滑脂来应对。
电驱转速提高到16000r/min以上之后，润滑油的黏度随之降低，油膜耐电压能力随之下降，轴承电腐蚀问题频繁出现。目前导电轴承、导电碳刷、导电环等导电方案与陶瓷球轴承等绝缘方案共用，解决轴承电腐蚀问题
高速电机的损耗问题
随着转速的提高，电机损耗也随之几何级提高，绕组电流和铁心中磁通交变频率增加也导致基本电机损耗的变大，使得电机发热严重。另外，转子表面与气隙高速摩擦，摩擦损耗高于常速电机的摩擦损耗。
高损耗产生的热量使得电机温升快速升高，使得电机的效率快速衰减，对永磁电机而言，高速化后其涡流损耗变大，磁钢发热严重，加上本身做小后，散热变差，退磁风险大大增加。
以铁耗为例，为了降低涡流损耗，一般采用0.1或者0.08mm超薄硅钢片，超薄硅钢片能够降低涡流损耗但是改变不了磁滞损耗，若要改善磁滞损耗，有三条路：
（1）优化磁路设计，提高磁场正弦性、降低谐波铁耗；
（2）降低磁负荷、增加热负荷，降低基波铁耗；
（3）材料选择磁滞损耗较小的硅钢片。
高速电机的散热问题
高速电机在高功率工作下会产生大量热量，需要有效的散热系统来保持温度稳定，防止过热对电机性能和寿命造成负面影响，需对转子铁芯及磁钢加强冷却。电机常用冷却方法有油冷和水冷两种。通常高速电机需结合高性能冷却，将冷却水道布置在绕组中，采用定子槽内布置冷却管路直接与绕组接触，通过冷却水循环进行冷却散热，提升绕组冷却效率。
油冷可以转子轴通油，当转子旋转可将内部的油甩到定子端部从而对电机定转子进行冷却。此外，在壳体上布置油管也可实现对电机进行喷淋冷却。特斯拉、丰田等主机厂产品均有转子冷却设计。
高速永磁同步电机的热管理技术已历经系列发展，如电机冷却系统从风冷到水冷，再到现在的油冷、定子与水套间填充材料的发展历程，电机定转子结构由“V型”“双V型”逐渐过渡到“U型”“U+1型”等，使得集成系统中的散热效率大大提高。
为了维持高速运行，优秀的散热设计也随之提到台面上，如舍弗勒推出定子槽内冷却技术，冷却液在绕组之间流动；Lucid在齿轭开槽油冷，让冷却油更加靠近铜线绕组；博格华纳的向心式油冷技术通过铁芯凸起的油路结构和油孔设计使冷却液充分覆盖绕组，做到无死角喷淋；油冷和混合冷却等技术的实施，能够极大地提升电机峰值功率的占比时间，出更多的力。不光是各种先进的冷却技术，对全局的热管理技术也带来全新的挑战。
高速电机的振动噪音问题
相比普通电机，高速电机的电磁力频率更高、分布范围更广，转子临界转速问题、电机转轴的偏摆振动问题、高频电磁力的啸叫问题等等，极易引起定子系统共振。高速电机的高转速容易引发噪音和振动问题，需要采用优化设计和减震措施，以提供更加平稳和安静的驾驶体验。
为了避免临界转速振动，转子设计需要进行模态分析和测试。如果转子设计过于短粗，能够提高临界转速上限，不容易发生共振，但转子克服离心应力的难度会增加；反过来如果转子设计过于细长，离心强度问题得到改善，但临界转速下移，出现共振概率提高，而且电磁功率会下降。所以转子的设计是一个不断权衡和平衡的过程。
高速电机对控制提出的挑战
高速电机需要高频电流，对逆变器的功率器件是一个不小挑战，高频开关会导致功率器件的发热严重，损耗变大。
另外，在高速电机中常用的无位置传感器算法容易受到逆变器非线性以及空间谐波、环路滤波器和电感参数偏差等因素影响，造成转子位置估算误差。
1.华为（22000r/min）
华为全新一代DriveONE 800V智能电驱平台，采用了前交流异步电机+后永磁同步电机组成的SiC高压四驱组合，双电机最高功率可达430kW（前电机180kW、后电机250kW）。相比上一代，驱动电机体积降低10%，重量减小10kg，最高转速可达22000转。
2.比亚迪易四方（20500r/min）
3.智己LS6（21000rpm）
智己LS6电驱搭载超轻定制陶瓷轴承，峰值转速21000r/min，为了满足散热需求，采用直瀑油冷+全新隧冷技术，LS6的电机轴承采用了中空设计，冷却油液直接进入轴承内部带走转子热量。
智己LS6的双电机峰值功率达到了579kW，峰值扭矩 800Nm，前逆变器英飞凌、后逆变器丹佛斯碳化硅模块，可承载最大有效电流650A，最高875V的工作电压。
镁合金壳体虽然让成本有所增加，重量下降30%，强度增加超300%。
4.埃安Hyper昊铂SSR夸克电驱（22000r/min）
昊铂SSR采用两挡四合一高性能集成电机驱动和900V碳化硅芯片，电机最高转速22000r/min，该系统前电机最大功率320kW，后双电机总成最大功率为580kW，系统总功率900kW，车轮最大扭矩12000Nm。
▲双电机两挡四合一电驱
SSR搭载了自研的两挡四合一高性能电机，电机功率密度10.5kW/kg，电驱系统效率94.5%。三个电机综合扭矩为1230Nm。
四合一双挡位后驱双电机系统通过一个换挡同步器的三种状态（向左结合、向右结合、空挡）实现了单挡单电机、单挡双电机以及双挡双电机三种模式。
这套系统可以实现双电机动力的并联耦合，从而叠加两个电机的动力输出。多挡位设计也可以进一步降低车辆在高速巡航时电机系统能耗。
逆变器方面，SSR采用了目前先进的900V碳化硅功率半导体芯片，工作频率提高了2.5倍，进一步降低能耗，从而提升车辆的续航水平和驱动效率。相比主流的IGBT功率半导体芯片，采用SiC碳化硅芯片能够让车辆增加3-4%的CLTC工况续航。
单挡双电机是两个电机通过同一个挡位输出；双挡双电机是两个电机通过不同挡位输出动力。
四合一双挡位后驱双电机并不是一个电机控制一个车轮的矢量电机控制系统，而是双电机动力经过两挡变速箱进行动力耦合后再输出。
无动力中断电子控制机械换挡，最高换挡速差16000r/min，最快进挡时间40ms。
e-LSD限滑差速器的原理并非通过制动打滑车轮实现限滑，而是通过多片离合器来实现限滑效果，工作效率会更高。
▲N合一控制器
N合一控制器：电机控制器、充电机、电源控制、高压配电、加热器、空压机控制系统。电驱综合效率93%，体积降低30%。
N合一控制器高度集成，减少线束，提高运算速度，降低成本和体积。
5.东风马赫（30000r/min）
马赫电驱采用碳纤维包覆转子技术的电机，最高转速30000r/min，与自主开发的SiC控制器匹配，系统最高效率可达94.5%，全系采用扁线电机，功率覆盖70-400kW，电压涵盖300-800V。
马赫2档双电机十合一电驱动总成，体积减少18%，重量减少15%，电机功率密度达到7kW/kg以上，最大功率400kw，轮边扭矩8100Nm。
6.无锡星驱（24000r/min）
星驱科技最新高速电机转速可达24000r/min，功率密度14kW/kg。高速电机的设计面临两个主要挑战：高强度转子设计和冷却散热问题。针对这两大挑战，星驱通过优化设计转子磁桥结构和配备高强度硅钢片，提高了电机高速运行下的可靠性、安全性。
另外，星驱科技采用了前沿的冷却技术，即定子铁芯独特的特殊冷却流道设计、集成喷射的端部导油环设计及转子内置的双向散热通道设计。这些设计创新大幅改善了电机的冷却，完美解决了电机端部绕组局部热点问题，并且提高了电机持续运行性能。
星驱科技在2023 IAA展上展出一款全新超高性能800V两挡扁线油冷电驱系统一EDU P900。该电驱系统采用 hairpin 扁线绕组技术，搭配 0.2毫米硅钢片等先进技术及材料，实现 450kW的峰值功率及 630N·m 的峰值扭矩，助力路特斯Eletre R+跻身2秒俱乐部。
7.极氪001FR（20620r/min）
极氪001FR后电机采用了碳纤维包裹转子，转速高达20620r/min，最大成功率密度4.4W/kg。
前轴155kW×2，后轴310kW×2，总功率930kW
▲威睿电驱产品
8.哪吒浩智电驱（20000r/min）
浩智电驱发布了2款电驱系统：180kW 400V电驱系统和250kW 800V高压SiC电驱系统。
轮边最大扭矩为4850 Nm，电机最高转速达到20000r/min，系统最高效率＞95.5%，系统NVH性能<76dB(A)。
9.日立Astemo（22000rpm）
日立Astemo在2022年Hitachi Review中发布了转速高达22000r/min的新一代电机。日立Astemo是通过重新设计转子来实现高转速，主要方法是优化隔磁桥的曲率半径，减小应力集中来增加转子芯的强度，减少转子和定子之间磁通密度中的较高谐波。
10.均联（20000rpm）
2023年8月，钧联电子开发的200kW 800V SiC三合一电驱动总成提前下线交付。200kW 800V SiC三合一电驱动平台产品，最高转速可达20000r/min,电驱峰值扭矩超3700Nm，工作电压范围450~900V，满足ASIL C等级功能安全，同时具备BOOST升压功能。

此外，钧联电子还开发有250kW 800V SiC电控和三合一电驱动平台产品，全面满足客户中高端车型对于高性能电驱产品的需求。

11.红旗（34000r/min）
去年年底，据红旗汽车官方消息，红旗研发总院新能源开发院电机电驱动开发部自主研发的高速电机转子总成试验爆破转速达到34000r/min，相较红旗现有产品提升 60%，突破行业极限，标志着红旗电驱系统高速化迈进新的台阶。
▲红旗高速电驱碳纤维转子
电机转子总成爆破转速试验是检验转子最高临界转速的重要手段，代表了电机转子极限转速运行能力，一汽红旗研发总院电机转子总成试验34000r/min的转速突破，目前达到行业领先水平。
12.AVL（30000r/min）


来源：驱动视界

 编辑 ▎于永初

 审核 ▎曹雪雷

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