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西门子发力电动汽车领域 发布集成化电机

2014-10-29 09:41

来自 :电动邦

作者 :王珺

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现阶段,一款电动车要想走量,除了补贴之后能够让大众接受的价格之外,还有足够日常或者个性化需求的续航里程。而为了增加续航里程,汽车制造商和供应商们也是花尽了心思,降低电动车的重量就是办法之一,而电动车的重量大头是在电池。在电池化学性能得不到大幅度突破的时候,如何在其他的细微之处进行轻量化就成了工程师们的使命。

最近,西门子发布了一项新的技术,将电动车动力系统中的逆变器与电动机集成到了一起,两个组件共同一套冷却单元,通过这种方法,降低驱动系统的重量、节省内部空间。

冷却系统是关键

逆变器和电动机是电动车动力系统中两个重要的部件,逆变器将从电池中出来的直流电转换成交流电,而电动机则负责将电能转换成机械能,传递到传动系统。到现在为止,逆变器与电动机一直是两个独立的组件。而西门子的这项新技术,就是将这两个设备集成到一起,使用一个外壳,并藉此来减轻重量、节省空间和降低成本。

据西门子的工程师表示,逆变器与电动机组合到一起之后,原本两个组件之间的电缆和其他连接附件就不需要了,大概能在电动车内部节省6-8升的空间,可以用来放置充电组件等其他设备。

西门子Sivetec MSA 3300

逆变器与电动机的集成体——西门子Sivetec MSA 3300

把逆变器与电动机集成到一起并非是1+1这么简单,在集成过程中,冷却是工程师们遇到的最大难题。

在高温时候,逆变器中将直流电转换成交流电的半导体——IGBT模块的性能会受到温度的影响而受到限制。所以,逆变器一般会有自己独立的冷却系统。而电动机在运转过程中,将电能转换成机械能时,会产生大量的热量,因而,要将这两个部件组合到一起,必须解决电动机与逆变器的散热的问题,让逆变器在离电动机很近的时候,也不会因为过热而影响性能,增加输出能量损耗或者降低组件寿命。

西门子的工程师们根据组件中各零部件对温度的敏感程度设计了一个冷却回路,让冷却水最先经过对温度最为敏感的区域,如IGBT模块、电流回路上的电容器等,优先对这些部件进行冷却,最后经过哪些对温度不敏感的区域,如外壳之类的地方,然后完成循环。而且,这样的设计,会在逆变器的电子组件与电动机的组件之间用冷却水形成了一个帘壁,将两个部件隔离开来。

西门子开发的这套驱动单元Sivetec MSA 3300,是在一系列电动车的基础之上研发的。工程师们在设计时即是根据电动车的内部空间来设计3300的外型尺寸,以便让其能够适用于更多的电动车。

可增加传导性能的SKiN技术

在Sivetec MSA 3300上,还有一项对性能提升相当有助力的技术——SKiN技术。SKiN技术是在2011年由致力于开发动力电子部件的Semikeron(德国西门康公司)发布,西门子于2013年与西门康在汽车的动力电子设备上进行合作,并收购了西门康旗下的研发动力电子组件和系统的子公司——VePOINT。VePOINT就是基于西门康的SKiN技术,开发适用于混合动力车与电动车的动力设备。

而这项被西门子相当重视的SKiN技术,是西门康公司研发的一种特殊的烧结工艺。根据度娘上的定义,烧结是将不同的粉末状物体加热到低于其中某一成分的熔点的温度,然后以一定的方法和速度冷却到室温的过程。在这个过程中,能够让不同的粉末颗粒粘接在一起,而粘接的部分强度增加。一般用在半导体的芯片之间以及电子部件与散热片之间的粘接。

在传统的焊接或者粘合剂粘接的方法中,组件之间连接的部分是最脆弱的地方,尤其是当其受到的热能负荷频繁发生变化时。而通过SKiN技术,也就是烧结工艺,进行粘合,粘合部位的强度要强于使用传统粘接工艺进行粘接的部位。

根据工程师的测试,粘接部位强度增加,还能够增加其传导性能,允许经过粘接处的电流强度增加25%,这将能使动力系统电路中通过的电流密度增强到两倍。另外,如果是将电子设备通过SKiN技术与散热片进行粘接,也能够让两者之间的热阻力降低,可以不再使用传统工艺中辅助散热的导热胶或者散热垫片,最高能将半导体芯片与散热片之间的热力学阻力降低30%,将能量损耗减少35%,或者说将组件的体积减少35%。

SKiN技术带来的热力学性能与传导性能的提升,能够让动力系统组件的寿命增加十倍,西门康表示。

传统粘接技术与SKiN技术粘接效果对比

传统粘接技术组件与SKiN粘接技术热阻系统对比

上图:传统粘接技术与SKiN技术粘接效果对比

下图:传统粘接技术组件与SKiN粘接技术热阻系统对比   

西门子已经在实验室中,在一辆电动车上验证了Sivetec MSA 3300的可行性,并表示业内已经有企业对Sivetec MSA 3300表示出了兴趣,也在德国巴伐利亚州专给电动车与混合动力车设立的奖项eCarTec大奖上获得了提名。

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