电动汽车技术的核心在于“三电”系统,即电驱系统,电池系统和电控系统,这三个系统构成了电动汽车的关键技术。电驱动作为核心的重要性不言而喻。从国内外新能源汽车驱动技术发展趋势看,集成化、模块化、高效化和智能化是大势所趋,技术创新依旧是关键突破点。
随着中国电动车需求的快速增长,中国市场的电动车技术已经全球领先。从产品导入到本土化研发,借助中国新能源市场的迅猛发展,博格华纳在电驱动领域的技术能力快速提升,甚至为全球其它区域实现了技术输出。值得骄傲的是,博格华纳是目前仅有的一家除了在电驱动三合一系统拥有系统集成能力之外还拥有三个子系统,包括减速箱、驱动电机以及电机控制器,而博格华纳均可实现自研自产。
逆变器
在电动汽车中逆变器是电力推进系统中关键的部件之一。它不仅将储存在电池中的直流电转换为交流电,还能将制动过程中回收的交流电转换为直流电并进行储存。目前,大部分电动汽车所使用的都是400V系统,而800V系统也在逐渐成为高端客户的首选。而且市场上大多数逆变器都采用硅(Si)作为半导体材料。如果想要缩短充电时间,就需要更高性能的电压系统和更适应高功率的半导体材料,来驱散高功率高密度所带来的热量。
基于这些需求,博格华纳创新研发出用于电动汽车的专利产品——应用于800V系统的双面散热碳化硅逆变器,以颠覆性的前瞻技术来满足电动汽车的飞速发展。
Viper800V逆变器
Viper800V逆变器是首个以双侧冷却碳化硅(SiC)为基础的创新型电源开关,能减少70%的开关损耗,提高25%的功率密度。并且Viper电源开关可在高达800V的电气系统下工作,并带来多种优势,它能利用电压的灵活性提升效率、缩短充电时间、延长续航里程、减小电池尺寸。得益于Viper的独特设计,可升级的解决方案能满足各种产品需求,并能适应较低和较高的电压系统,赋予OEM客户更高的灵活性,便于管理插电式混合动力汽车和纯电动汽车所需的多种电压等级,并能满足日益增长的排放法规所需的车辆组合和数量。
随着我们的电动汽车业务的不断加速,基于碳化硅的功率电子产品对我们的客户也越来越重要。博格华纳在2022年12月投资Wolfspeed 投资 5 亿美元,以获取相应的碳化硅器件产能通道。碳化硅应用于电动汽车内部的关键电力系统,包括牵引逆变器、车载充电器 (OBC) 和 DC-DC 转换器。与传统硅器件相比,其主要优势包括更高电压和更高频率的特点,从而实现更高的系统效率、更快的开关、更低的损耗和更好的热管理。作为第三代半导体技术,因其高耐压,高开关频率和高耐温等优点在电能转换中得到大规模的应用。我们相信,我们与 Wolfspeed 的关系将推动创新,加速全球向电动汽车的转型,并进一步推进博格华纳对清洁、节能世界的愿景。
集成式电驱动
电动汽车中如何提高电驱动的效率、集成度以及延长汽车续航里程也成为电动汽车发展的一大难题。因此iDM的推出标志着博格华纳高度集成电驱动系统产品线的诞生,能为客户提供高效混合动力和电动汽车驱动解决方案。
所谓的“三合一” iDM就是指核心三大件——永磁同步电机、高性能电子控制模块和高效减速机构分合而为一。其一,目前博格华纳的iDM系统中的电机是最高转速16000 rpm的永磁同步电机,高于行业的平均水平。紧凑型设计,大幅提升电机的升功率密度;其二,博格华纳iDM系统集合了电子控制装置,目前采用了主流的碳化硅Sic技术或IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 绝缘栅双极型晶体管技术;其三,博格华纳的iDM系统采用固定速比,目前可为客户提供11.5的减速比,基本覆盖大部分客户各种车型的动力传输需求。
此前,博格华纳与韩国现代汽车集团达成了合作,现代汽车集团选用博格华纳iDM146用于其电动动力系统,该系统将搭载在2023年年中计划量产的A级电动汽车上。博格华纳目前可提供iDM146、iDM200、iDM220、iDM220+等产品系列,除了为韩国现代汽车公司提供配套的iDM146产品以外,博格华纳去年在国内市场推出800ViDM220,也获得了广大OEM的欢迎。
800ViDM220由一个紧凑的220毫米外径定子电机、一个齿轮箱和一个高性能逆变器组成,显著降低了整体系统的重量和尺寸。该模块输出功率可以达到200kW以上,轮边峰值扭矩在4000Nm以上。电机内部的高压逆变器配备了成熟的双面冷却Viper功率开关,以减少半导体的面积,提升成本效益。Viper功率模块摆脱了对键合线的需求,有效降低机械疲劳和高热应力下的故障风险,显著提升功率模块的可靠性。
电机
X-pin电机
由于电动汽车需求的增长,电机制造商在为高产能、高质量寻求生产力更强的工艺。因此,扁线型电机定子在很大程度上占据优势。为了降低产品轴向尺寸,博格华纳动力驱动系统(天津)有限公司在2018年开始组建团队,尝试开发降低端高的工艺,将Harpin工艺的焊接端高由10mm降低到7mm,最终将焊接端高降低到1mm,并于次年实现了工程样机开发,但是由于当初生产设备不支持量产,且客户对端部尺寸要求并不严苛,原型样机开发完成后没有进行产品推广,但是积累了大量工艺数据。
随着2022年X-pin概念的升温,博格华纳在原有Harpin基础上将产品升级为X-pin工艺,工程团队利用原有的技术积累,经过一个月的努力,推出了新一代X-pin工艺电机产品。
X-pin电机有3大工艺难点:
经过无数实验对比,博格华纳从十几种焊接工艺中,选定了低温纳米银合金做为X-pin的焊接技术,其特点是焊接温度低、浸润性好,导电性好,焊接强度高等,且焊接后不会烫伤漆膜,焊接后拉力可以达到1000N以上,完全能够满足X-pin的焊接要求。在经过反复的实验探索与改进,博格华纳已经完全掌握了低温纳米合金焊接技术,并制作了多台工程样机进行测试,这一重举扩展了博格华纳扁线电机工艺技术路线。
S-Winding电机
另外,博格华纳开创性S型绕组导线成型技术,曾获得美国PACE大奖。这项工艺具有高功率密度和节省空间的优势,凭借极低的导线绝缘应力,适用于各类高压混合动力和电动汽车。这一创新制造工艺使博格华纳能够大规模生产更小、更强大的高压电机,并有助于推动混合动力和电动汽车市场的发展,实现更环保的交通出行。
高压发卡式驱动电机
HVH146是博格华纳整个高压发卡式驱动电机家族里最小个的电机,主要应用场景是高压的P0电机,300V的电压平台。对于HVH146来说,除了目前有所应用的P0电机外,他还是一个对于功率和扭矩需求相对较低的驱动电机的最佳选择,目标车型可以是A0级的小车。博格华纳之前被韩国现代集团定点为一个小功率的三合一电驱动桥开发和量产供应商,驱动电机的应用正是HVH146。HVH220会成为未来比较主流的一款电机,可搭配400V或800V电压平台,提供250kW的以上的峰值功率,输出高达430Nm的扭矩,采用油冷冷却。并且博格华纳HVH250和HVH410已经量产,HVH320正在开发当中,预计将于2024年投入使用。HVH 320电机是博格华纳HVH系列电机的新成员,该系列既适用于商用车范畴。搭配800V电压平台,有四种变体,其多功能平台将支持客户实现通用化的电动传动系统,并提供高达97%的峰值效率和超400kW功率,同时能输出高达1270牛米的扭矩。该电机运行时,不仅环保,而且安静,还支持车辆的换挡顺序,并在制动或下坡时发电,为电池充电。 博格华纳的电机谱图可以满足功率从135千瓦-475千瓦,扭矩从430Nm-2050Nm的应用。
例如,博格华纳获奖的发卡式定子绕组技术和先进的传动系统相结合,完美集成于可扩展的紧凑型封装模块中。其拥有高集成度、高效率和轻量化的优异特性,提供iDM146、iDM200、iDM220、IDM220+,可根据设计架构和不同应用,轻松集成于乘用车和轻型商用车的前轴或后轴上。除纯电动汽车外,博格华纳的解决方案也适用于P4混合动力汽车,即电机位于前轮驱动车辆的后轴上。
说到博格华纳HVH250电机,目前这款电机在商用车和乘用车上都有应用,也是博格华纳很早就实现量产的一款高压发卡式驱动电机,它和上半部分的减速箱集成在一起,成为博格华纳第一代二合一的电驱动桥,在两年前就已经正式进入了量产,目前仍然在不断向外供货当中。二合一配上硅基400V的控制器,可以成为三合一电驱动桥,可以适用于800V电压平台下的产品,对于博格华纳来说仅仅开发400V下的电驱动产品是不够的,我们对于800V系统需求下的减速箱、电机以及碳化硅都做了布局,使系统产品更加符合未来的市场需求。
系统优化过程当中需要重点关注的是成本,效率和NVH表现。博格华纳系统优化的思路,首先以系统需求作为输入,以初始的系统spec.作为输入,在电机端,要考虑多维度的方案和对应性能输出,比如电磁方案,磁铁排布,冷却润滑和NVH表现等。无论对电机这四个因素改变哪一个或者改变多个,对于电机的整个工程方案有可能都会发生比较大的变化。针对每一种方案,都会有不同的体现形式,比如成本,重量,惯量以及尺寸。如何做到方案的合理性,性能的优异性以及成本的可接受度是我们不断进行优化的驱动力。
25000rpm碳纤维高速转子
随着电机功率密度和轻量化要求越来越高,电机高速化将是未来的发展方向之一,高速化带来的问题是对硅钢片材料的要求越来越高。为了满足高速化要求,博格华纳动力驱动系统(天津)有限公司采用碳纤维材料对电机转子增加强度,满足电机25000rpm的工作要求。有利于未来大功率,高转速电机的产品开发应用。
作为汽车电动化转型的引领者,博格华纳的电驱动产品在行业内是首屈一指的,我们有着极具市场竞争力的子零部件,在系统集成方面,我们同样有着卓越的工程能力和平台产品。未来,博格华纳将持续发力,期望能充分发挥其在电驱动方面的综合优势,为市场提供一站式解决方案。