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深度洗牌将至 详解新能源汽车电控的“危”与“机”

曾雪花 · 2018-06-06

摘要: 电机控制器作为新能源汽车动力性能的决定性因素,其的技术进步将影响着新能源汽车产业的发展。那么,在大功率快速充电等挑战下,以及国际巨头加快抢食市场等压力下,国产电控企业该如何突围?

电机控制器作为整车驱动系统的最重要组成部分,未来2-3年内将进入深度洗牌期,或将有部分企业面临倒闭。 

一方面,随着补贴逐步退坡及新能源整车技术的提升,电机控制器厂商面临着巨大的技术提升及成本下降压力。

其中,高压大功率快充已经成为新能源汽车发展的必然趋势。电机控制器的电压需要进一步提升,这将对电控的架构、高压防护等级、热管理等关键技术提出全新挑战。 

另一方面,现阶段,电控市场还处于较为混乱的调整期,主机厂、国外零部件巨头、新进企业等多方混战下市场竞争激烈。

“国产新能源汽车电机控制器与国外先进水平差距较大,至少落后国外5年。”业内人士坦言,如果近几年仍未改变落后局面,国产电机控制器市场将再度沦陷,一部分国产品牌将遭遇被淘汰格局。

电机控制器作为新能源汽车动力性能的决定性因素,其的技术进步将影响着新能源汽车产业的发展。那么,在大功率快速充电等挑战下,以及国际巨头加快抢食市场等压力下,国产电控企业该如何突围?

下面,让我们一起全面了解一下电机控制器的结构组成、市场情况、技术趋势及实现方法等相关情况。

一、工作原理

电机控制器是新能源汽车中连接电池与电机的电能转换单元,它从整车控制器获得整车需求,并从动力电池中获得电能,再通过自身逆变器的调制获得控制电机需要的电流和电压,以提供给电机,使得电机的转速和转矩能够满足整车需求。

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纯电动汽车动力系统电气图

二、组成结构

具体来看,电机控制器由逆变器(主要是 IGBT 功率模块)、逆变驱动器、电源模块、中央控制模块、软启动模块、保护模块、散热系统信号检测模块等组件组成。

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电控的外部结构图

❶电子控制模块:包括硬件电路及控制软件等。其中,硬件电路包括微处理器及系统,实现对电机电流、电压、转速、温度等状态的检测与保护,以及与整车控制器、电池管理系统等外部控制单元进行数据交互。而控制软件则根据不同类型的电机特点实现相应的控制算法。

❷驱动器:用于将微控制器对电机的控制信号转换为驱动功率变换器的驱动信号,并实现功率信号和控制信号的隔离。

❸功率变换模块:对电机电流进行控制。常用的功率器件有IGBT等。

❹ IGBT功率模块:接收控制信号,驱动IGBT并反馈状态,同时提供电压隔离及保护

❺DSP电路:接收整车控制指令,并反馈信息,检测电机系统传感器信息,根据指令传输电机控制信号。

❻ 配电回路:为集成控制器其他部分提供配电

❼ 辅助电源:为控制电路提供电源,为驱动电路提供隔离电源

❽  结构及散热系统:为电机控制器提供散热,以及提供安全防护。

三、集成形式

在电动汽车上,除了主电机控制器外,还需要配备转向DC/AC、DC/DC、高压配电盒和绝缘检测仪等辅件控制器。为了让电动车上的布局更加整洁,节省整车空间,常常将配电电路、IGBT驱动回路、辅助电源、DSP电路、结构与散热系统等与电机控制器集成为一体化多合一的控制器。

目前,国内常常使用的几大集成形式分别如下:

➀ 单主驱控制器

➁三合一控制器:一般是EHPS控制器+ACM控制器+DCDC

➂五合一控制器:EHPS控制器+ACM控制器+DCDC+PDU+双源EPS控制器

➃ 乘用车控制器:一般是由主驱控制器+DCDC进行集成

➄物流车三合一控制器:主驱+DCDC+PDU

➅物流车五合一控制器:主驱+EHPS控制器+ACM控制器+DCDC+PDU 

四、技术发展趋势

❶高安全性:电机控制器集成功能越来越多,安全要求就越高。

实现方式:通过SBC+MCU监控架构、高压备份电源、安全相关驱动芯片、IGBT故障的全面诊断、独立安全关断路径、独立ADC通道的旋变信号解码、不同质两路高压采样电路、不同质三相电流霍尔传感器等实现。 

❷ 高功率密度化:为了提高一次充电的续航里程,必须要提高电机及电控的功率密度和效率。

实现方式:

(1)器件与电路的封装集成,主要以器件封装技术为核心,实现驱动系统的小型化高密度化。

(2)车载电力电子各功能单元的集成,主要考虑电动汽车驱动逆变器与车载DC-DC变流器的一体化,也有将车载驱动逆变器与车载DC-DC变流器、充电器的一体化。

(3)在IGBT器件的基础上集成驱动和保护电路(电流、温度过高的检测和保护),形成智能功率模块(IPM),也是实现高密度化的一项重要技术。

❸ 高压化

目前乘用车的电压普遍在300-400V左右,随着大功率快充的发展,未来电动汽车需要往高压化发展,才可以大幅缩短充电时间。为此电机控制器高压化也成为了基本趋势。其中,IGBT的方向也是往750V、1200V等高电压方向发展。

❹EMC等级越来越高

现在二代的电机控制器产品能做到class3、class4,以后EMC要做到class5,并要求要做到小型化,成本更低。

❺技术实现难点及解决办法

包括汇川技术在内的多位电控企业相关技术专家提到,当电压提高之后,电控的元器件需要更加小型化,同时电控的损耗占比将进一步增加,而散热压力也将增大。 

为此,业内人士认为,需要优化电控本身的设计,以及控制算法优化,来提高电控效率,降低电控系统的损耗。其中,碳化硅(SiC)等为代表的新型功率器件被认为是突破电控系统功率密度、降低损耗等的重要手段。

据了解,相比传统的SI器件,不同载频下的SIC器件拥有更低的导通损耗、更低的开关损耗,SIC器件的综合损耗降低超过30%。

六、行业现状

我国控制器硬件水平与国外存在一定差距,产业化能力不足。更重要的是,我国电机控制器用元器件(薄膜电容、传感器、电子芯片和专用电路等)、传感器、开发工具、耐电晕绝缘材料等绝大部分也源自进口。其中,IGBT模块作为核心高压控制开关组件,其成本占电控总成本40%以上。

“英飞凌SK2产品的成本只有800元,我们买就要两千元。这在很大程度上增加了我们的生产成本,为我们电机及电控生产商成本控制增加了难题!”精进电动创始人兼CTO蔡蔚曾表示,单是电控元器件成本就比海外高出2-3倍,导致我国电动汽车用电控系统的成本比国外高1.2-1.8倍。

总体来看,近年来,国外相继推出了应用于不同车型的电机控制器,日本、美国和欧洲在此领域处于领先地位。

另外,国外电机控制器最高功率密度已经提高到60KW/L,且SiC等新的电力电子器件也已经得到应用。但是,国内开展SiC功率元器件的研究工作较晚、水平较低,还存在诸多量产难题。

七、市场情况

目前客车电机控制器价格一般为3-5万元,乘用车电机控制器价格一般为0.6-1.5万元。

目前国内生产电机控制器的企业主要有三类:一是主机厂;二是电机及汽车零部件生产企业;三是第三方电控企业。

其中,国内电机控制器已经批量供货的企业有汇川技术、英威腾、蓝海华腾、上海电驱动、上海大郡、天津松正、深圳五洲龙、南车时代等等。

需要特别提及的是,与电机配套情况一样,在2017年电控装机量排名前十的企业中,比亚迪、北汽新能源、江铃新能源、宇通等整车企业占据了较大的市场份额,而进入排名前十名的企业还有联合汽车电子、上海电驱动、安徽巨一动力、山东德洋电子、汇川技术、英搏尔等。 

另外,由于我国电机控制器与国外存在较大差距,不少车企更加倾向于选择国外的电机控制器产品。

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标签: 电机 电控

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