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比亞迪新能源汽車技術及產品開發進展

發布日期:2019-11-10   來源:《變頻器世界》19-09期   作者:馮普凌   瀏覽次數:1616
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【摘   要】:目前,新能源和數字化的發展改變了現有運輸工具的框架。綜述了當前國內外新能源汽車相關技術及市場現狀,介紹了中國新能源汽車企業比亞迪的概況。分析了比亞迪在IGBT功率半導體、磷酸鐵鋰電池、DM雙模混合動力汽車等方面的新技術及新產品開發進展。總結了比亞迪在遠見性、創新性等方面的競爭優勢,在技術集成化、產品多樣化等方面,對我國相關產業提出了建議。

 

  關鍵詞:比亞迪電動汽車IGBT鋰電池混合動力

 

1. 公司概況

    目前,全球面臨著能源危機和可持續性發展的共同問題。在這一背景下,新能源和數字經濟改變了固有運輸工具的框架。自2015年起,我國已連續4年成為全球最大新能源汽車銷量國2018,我國新能源汽車銷量125.6萬輛[1],同比增長61.7%,占世界的62.2%(見圖1)。

 

1 2015-2018年世界及中國新能源汽車銷量(萬輛)

我國新能源汽車企業比亞迪創立于1995年,從電池制造起步。2003年成為全球第二大充電電池生產商,同年進入汽車行業,并布局新能源產業。至2016年11月,比亞迪在全球共建立了30個生產基地,員工總數達22萬人。

新能源汽車領域比亞迪是目前世界上唯一同時掌握電池、電機、電控等電動車核心技術以及擁有成熟市場推廣經驗的企業。

2008年開始,比亞迪陸續推出新能源汽車產品[2]2018年,比亞迪的產品占我國新能源汽車市場總銷量的19.7%,秦、e5、宋等牌號進入國內新能源汽車銷量排行前十

比亞迪生產的純電動公交車,除了滿足國內的需求外,足跡遍布50多個國家,尤其是在美國和英國,比亞迪分別占據80%和50%的純電動大巴市場份額[3]

2  技術進展及新產品開發

近年來,比亞迪憑借IGBT芯片技術鋰電池技術DM混動汽車技術等核心工藝,打造出了比亞迪技術品牌。

2.1  IGBT技術

2.1.1  國內外技術及市場概況

絕緣柵雙極型晶體管(IGBTInsulated Gate Bipolar Transistor),是一種大功率的電力電子器件[4],是能源轉換與傳輸的核心器件,被稱為電力電子裝置的“CPU”IGBT模塊是由IGBT與續流二極管芯片(FWD)通過特定的電路橋接封裝而成的模塊化半導體產品

IGBT在電動汽車、軌道交通、智能電網、航空航天等領域應用極廣。在電動車領域,IGBT直接控制驅動系統直、交流電的轉換,決定了車輛的扭矩和最大輸出功率,占整車成本的7~10%是除動力電池之外成本第二高的元件

目前,世界市場上的IGBT技術已發展到了第七代。第一、二代是平面型結構,第三代是溝槽型(Trench)構造,第四代是非穿通型(NPT)型,第五代電場截止型(FS)增加了電場終止層,硅片厚度較NPT減薄了約1/3,降低了關斷時間和功率損耗。第六代溝槽-電場截止型(FS-Trench改進了溝槽柵結構,提高了電壓耐受度,芯片面積、功耗都有所減少。第七代發展到了載流子存儲層結構IGBT(CSTBTcarrier stored trench gate bipolar transistor),尺寸減小,厚度變薄,功耗降低[5]

在市場方面,IGBT產品曾經一直被德國、日本等國家壟斷德國英飛凌主要占領電動汽車用的IGBT市場,日本三菱曾經壟斷包括中國高鐵在內的高速機車用IGBT

我國IGBT器件90%依賴進口,近年來發展迅速,具有代表性的企業是比亞迪和中車時代。比亞迪的產品可以滿足電動汽車對IGBT的需求。中車時代主要產品為1200V-6500V高壓模塊,可滿足當前中國高鐵的需求。

 

2.1.2  比亞迪IGBT的開發和應用

2005年,比亞迪正式啟動IGBT開發項目,2009,成功開發出IGBT1.0技術[6]2017年,推出了IGBT4.0技術。

在技術應用方面,目前比亞迪90%的IGBT都是自己配套已成為我國唯一一家擁有IGBT完整產業鏈的企業[7]。比亞迪等國內外具有代表性的IGBT企業技術及產品特點見表1[8-12]

 

1  比亞迪等國內外IGBT制造企業技術概況                                             

國家

中國

德國

日本

公司

比亞迪

中車時代

英飛凌

三菱

技術

4.0技術

T5代技術

EDT2電力動力總成技術

第七代芯片技術

產品示例

 

V-315系列模塊

 

T5代模塊

 

HybridPACK™ DSC S2模塊

 

J1系列模塊

技術特點

內部電場優化、減薄工藝、Pin-fin針狀直接冷卻結構,使電流輸出能力提升15%綜合損耗降低20%溫度循環壽命傳統模塊的10倍以上芯片厚度120μm,重量減少50%。

TMOS+增強型溝槽柵技術,低導通壓降、寬安全工作區特性,與IGBT4相比VCE(sat) 低約10%。;

精細溝槽技術,電流密度提升30%。優化截止層,耐壓提升15%。溝槽-電場截止薄圓晶技術,使芯片厚度大大減薄雙面焊接(形成Ni+Pd金屬層),提升可靠性。

CSTBT載流子存儲IGBT技術,VCE(sat) 降低13%,E off降低14%。集成溫度及電流傳感器,提高可靠性。Pin-Fin底板直接冷卻結構,尺寸減小40%重量減少70%。熱阻減少30%。DLB直接主端子綁定技術,提高功率循環壽命。

示例產品特點

1200V車規級,提供更強的加速能力高可靠性、高效率

750V/600A車規級,平面封裝、雙面冷卻,結構緊湊、散熱性能優越。

750V高功率密度車規級,雙面散熱封裝,操作溫度可達175°C,性能提升40%,可靠性優越。

650V/1200V/300A~1000A等數款車規級產品,性能高、體積小、重量輕

從表1中可以看出,按不同企業來說,比亞迪的產品加速性、安全可靠性好,英飛凌的產品的以高效和可靠性為特點,三菱以精細和多樣化見長。

從總體來看,在技術方面,各生產商主要致力于通過EDT2電力動力總成CSTBT載流子增強等技術,提高產品效率;借助溝槽-電場截止、緊湊的冷卻系統等工藝,使產品體積更小、厚度更薄;利用雙面焊接、集成傳感器等技術,改善產品的可靠性。在產品方面,不同新技術的集成及新材料的應用,促進了產品高端化和多樣化。

比亞迪采用4.0技術生產V-315系列模塊提高了芯片開關速度,具備與第四代IGBT技術相同的魯棒性。2018年,比亞迪推出了搭載4.0技術的新產品 EV[13](圖2),百公里加速4.4s60km/h等速純電續航里程提升至600公里。

 

2  搭載IGBT4.0技術的比亞迪唐EV

下一代功率半導體的技術方向是碳化硅SiC模塊,與傳統硅材料相比,SiC模塊最主要優勢是開關損耗大幅減小,在未來可作為硅材料IGBT的補充產品。2015年,三菱電機開第一款全SiC模塊,用于日本新干線。目前,三菱SiC功率模塊已涵蓋額定電流15A~1200A及額定電壓600V~3300V的產品。比亞迪已經開始投資布局第三代半導體材料SiC的開發,將用于新一代電動車的制造[14]

 

2.1.3  比亞迪IGBT制備技術研究進展

目前的IGBT,普遍存在關斷困難的問題。現有IGBT的內建電場使漂移區中的載流子密度變大,從而降低了通態壓降。然而,這種柵槽型IGBT制造工藝復雜,成本較高。同時所采用的載流子壽命控制技術,造成優化導通壓降和降低關斷損耗相矛盾的問題,使器件關斷發生困難。

比亞迪開發的新型IGBT[15]通過在阱區中引入載流子阻擋區,降低IGBT的導通電阻。該IGBT通過采用新型結構而非載流子壽命控制的方式實現導通電壓的調控,因此避免了傳統的載流子壽命控制方法而導致的器件關斷損耗增加的問題。

該技術IGBT對應電壓為1.1V,比常規結構下降27%關斷時間只需要1μs,比常規技術降低50%。該技術通態壓降較低、關斷時間短,關斷損耗低,提高了IGBT的效率和安全性。

 

2.2  鋰電池及相關技術

2.2.1  國內外技術及市場概況

2.2.1.1  技術概況

鋰電池誕生于世紀70年代。全球新能源汽車主要使用鋰電池按照正極材料的區別,鋰電池又可分別磷酸鐵鋰電池、三元電池和錳酸鋰電池等[16]

    磷酸鐵鋰電池技術成熟度高、成本低、安全性好、高溫性能好、無毒、無噪音,缺點是低溫性能差,能量密度相對較低[17],如果需要更高的續航里程,就需要裝載更多的電池。另一方面,目前高效磷酸鐵鋰電池的能量密度可達到180 Wh/kg,可以滿足續航需求[18]

三元電池分為NCA(鎳鈷鋁)NCM(鎳鈷錳兩類。三元電池能量密度高,低溫性能好,但需要復雜的電池管理系統來保證電池的循環次數,安全性和壽命不如磷酸鐵鋰電池,需用的金屬鈷價昂貴,生產成本較高

錳酸鋰電池的成本較低,倍率性能優異,安全性好,但存儲和循環壽命較差。

 

2.2.1.2  市場現狀

目前,國際市場上95%的動力電池份額被中、日、韓企業占領,主要電池企業見表2。國際市場上新能源汽車主要以三元電池和錳酸鋰電池為主,日、韓主要裝配大型國際車企的產品。2018年1-9月全球動力鋰電池出貨,日本松下位列第一,出貨量達13.38GWh,我國的寧德時代、比亞迪和韓國的LG緊追其后[19]世界主要動力電池企業產品概況如表2所示。

以日本松下為例,主要供應商是住友金屬,其NCA電池配套特斯拉車型。特斯拉Model3使用的21700圓柱電池,能量密度可達340Wh/kg。松下計劃于2022年掌握固態電池技術。

2  世界主要動力電池企業產品概況                                                                                               

國內

國外

企業

電池類型

外形

目前達到能量密度(Wh/kg)

企業

電池類型

外形

目前達到能量密度(Wh/kg)

寧德時代

三元材料

方形

240

松下

三元材料

方形/圓柱

340

 

磷酸鐵鋰

方形

 

 

錳酸鋰

圓柱

 

比亞迪

三元

方形

235

LG

三元材料

軟包

2020年目標270-280

 

磷酸鐵鋰

方形

172

 

錳酸鋰

軟包

 

國軒

三元材料

方形/圓柱

210

三星

三元材料

方形/圓柱/軟包

230

 

磷酸鐵鋰

方形

180

力神

三元材料

方形/圓柱

230

SKI   

三元材料

軟包

2020年的目標284

 

磷酸鐵鋰

方形

 

 

我國主要動力電池企業包括寧德時代、比亞迪等,電池類型以磷酸鐵鋰和三元電池為主。2018年我國新能源汽車動力電池裝機總量為56.9GWh,同比增長56.9%。從生產商來看,寧德時代以23.4GWh居首,占比41.2%比亞迪動電池裝機量為11.4GWh位列第二,占比20.1%,排列第三和第四的分別是國軒和力神;從電池類型來看,三元電池裝機量占比58.2%,同比增加13%,磷酸鐵鋰電池裝機量占比39%,同比下降了10%

出于安全性考慮,我國客車主要使用磷酸鐵鋰電池,而乘用車主要使用三元電池。由于NCA電池的研究難度較大,且核心技術掌握在日本企業手中,國內的三元電池開發主要選擇NCM開發路線。

    關于未來的發展趨勢,磷酸鐵鋰電池將會得到廣泛的應用,三元電池會成為未來發展重點。

 

2.2.2  比亞迪鋰電池的開發和應用

    目前,比亞迪已成為世界上產能最大的磷酸鐵鋰電池廠商。

比亞迪自主開發的磷酸鐵鋰電池(圖3),可滿足兆瓦級功率輸出需求,能量密度約在110-172Wh/kg之間[20],已經成功應用于純電動汽車e6、K9(見圖4)[21]產品。

 

3  比亞迪開發的磷酸鐵鋰電池

這種磷酸鐵鋰電池的安全性突出,成本低,綠色環保。尤其是安全性能,采用特殊防爆閥與蓋板激光焊接技術,防爆閥啟動壓力穩定保證了單體電池在各種極限情況下如針刺、撞擊、短路、過充/放、火燒、加壓等發生爆炸。

 

4  比亞迪純電動客車K9

安裝磷酸鐵鋰電池的純電動客車K9安全、靜音、外形時尚,訂購K9的智利Enel公司表示,與傳統的柴油巴士相比,K9的運營成本可減少70%以上[22]

在磷酸鐵鋰電池管理方面,比亞迪開發的動力電池熱管理系統,通過對電池進行冷卻或加熱,可使電池電芯溫度自動控制在最佳工作溫度范圍[23]確保電池在極端氣候環境下保持高效安全。使用該技術的車輛在-20的環境下充電,電池自動開啟保護功能,降低電池損耗[24]

關于未來技術規劃,比亞迪將同時堅持磷酸鐵鋰和三元電池共同發展的路線。自2017年起,比亞迪的新能源乘用車開始配備NCM電池,客車和E6暫時還會繼續采用磷酸鐵鋰電池[25]

2.2.3  比亞迪鋰電池研究進展

2.2.3.1  磷酸鐵鋰材料制備技術

傳統的水熱法合成磷酸鐵鋰,一般為一次成型造粒,所采用的pH值均為單一的pH值,這種方法存在著不能同時獲得粒徑小且電化學性能優異的磷酸鐵鋰。

    比亞迪公司開發出一種磷酸鐵鋰的制備方法[26],是將水溶性二價鐵源、磷源和鋰源接觸并反應,將接觸產物的pH什調節至堿性,以10℃/s的速率使產物升溫至80~240℃進行第一反應,再將反應產物降至20~50℃,并將其pH什調節至酸性,再將酸性產物以10℃/s的速率升溫至80-240℃進行第二反應,所制備的磷酸鐵鋰粒徑小且電化學性能優異。

 

2.2.3.2  磷酸鐵鋰電池低溫激活技術

磷酸鐵鋰電池在低溫環境下,例如低于-20℃時,電池只能放電不能充電,如需充電,就需要先對電池進行預熱。

現有的新能源車,電機的驅動電路一般使用IGBT三相全橋電路。在低溫下如需對電池充電,通常是啟動電路進行預熱,但這種方法會造成電機電樞的電阻、IGBT以及電路中串接的電阻功率損耗。

為了解決這一問題,比亞迪公司研發出一種磷酸鐵鋰電池低溫激活裝置[27],該裝置包括了開關管、控制器和溫度采集器,首先由溫度采集器檢測磷酸鐵鋰電池的溫度,然后傳送給控制器,由控制器將所測溫度與電池激活的最低溫度進行比較,如果所測溫度低于電池激活最低溫度,則電池輸出電流,產生熱量,進行預熱。當電池溫度達到預設最高溫度時,自動停止預熱。這種方法能在低溫環境下對電池進行預熱而不會造成不必要的功率損耗。

 

2.2.3.3  三元電池材料制備技術

    現有的鋰鎳錳鈷氧化物制備工藝中,可采用共沉法制備氫氧化錳鎳鈷前驅體,再與鋰源混合后通過高溫固相反應制得正極材料。在使用共沉法制備前驅體時,多采用滴加工藝,使得沉淀形貌很難控制。在高溫固相反應過程中,可將過渡金屬進行混合,但是,這樣的混合很難使三種過渡金屬均勻分布。

為了解決上述問題,比亞迪公司開發出一種制備工藝[28],該工藝采用噴槍向反應器加入過渡金屬溶液,避免了局部濃度過濃的現象。在前驅體的制備過程中,通過壓縮空氣攪拌均勻,使過渡金屬在共沉淀過程中的易于氧化,從而縮短了高溫燒結時間,降低了成本。

 

2.3  混合動力技術

2.3.1  國內外技術及市場概況

混合動力汽車主要包括HEV(Hybrid Electric Vehicle,油電混合動力汽車)和PHEV(Plug Hybrid Electric Vehicle,插電混合動力汽車)等類型。二者都有發動機和電機,不同之處是,HEV是通過發動機產生電能,而PHEV不僅可以靠發動機充電,還有外置充電接口。

目前,世界混動汽車市場上,日系車企是行業的領軍企業,我國的混合動力技術自21世紀以來開始發展,近年來發展迅猛。日本豐田1997年推出了全球批量生產的混動汽車普銳斯。目前,普銳斯在不斷追求低油耗和舒適性的過程中,已經發展到第四代[29]2018年,豐田普銳斯PHEV銷量為45686輛,在世界電動汽車銷售排行中名列第九,我國的比亞迪宋PHEV名列第十四。

當前世界具有代表性的技術,主要是日本豐田的雙電機分流技術,德大眾的單電機雙離合技術中國比亞迪自有的DM雙模技術,三種技術的特點可見表3。

3  世界混合動力主流技術特點                                   

技術

日本豐田雙電機動力分流技術

德國大眾單電機雙離合技術

中國比亞迪DM(Dual Mode,雙模)技術

圖解

 

雙電機分流系統

變速箱集成電機

 

BSG電機

特點

采用PS(P:Position,指電機位置)構架,即將分別用于驅動發電的兩個一體化電機置于變速箱內。發動機和兩個電機通行星齒輪(動力分流裝置)耦合在一起,通過電機調節發動機的扭矩及轉速,提高發動機效率。

采用P2架構,電機位于發動機與變速箱之間,即變速箱輸入端。圖解中的變速箱集成電機,將電機直接與雙離合的變速箱輸入軸連接。可節約空間,增加傳動效率,充分利用所有的檔位。

新一代DM3技術采用P0+P3+P4架構。P0上的BSG(Belt Driven Starter Generator皮帶啟動/發電一體化電)位于發動機前端,負責自啟停、發電等功能。P3在變速箱輸出端,P4在后軸上。P3和P4分別驅動前后輪,實現電動四驅

優勢

系統精準,節油效果明顯,輸出平順,機艙布置難度低。

結構緊湊,多功能,兼顧動力性能與節能環保

結構簡單,加速性能好,工作模式豐富。

不足

結構復雜 ,研發成本高。

只能使用小功率機型的電機,使性能發揮受限。

饋電狀態油耗較大,節能性潛力不足。

總體來說豐田主要是將電機置于變速內實現動力分流,能夠明顯節能但會犧牲動力性能;比亞迪主要追求動力性能,但節能性會略有下降大眾的單電機雙離合系統介于以上兩者之間,但電機功率受限。

 

2.3.2  比亞迪DM技術的開發和應用

DM雙模技術是一種將電動車系統和混動系統共同使用的動力系統[30]2008年比亞迪采用自有DM1技術生產的第一款PHEV F3DM投放市場,目前該技術已進化至第三代DM3DM2技術主要采用P3+P4構架,提高了DM1電機的電壓和轉速,以及電池的密度和電容,改集成式電池管理系統為分布式系統,提升了電池管理效率,使車輛更為輕量化。在DM2中,只有P3和P4位置設有兩個電機,DM3在P0位置加入了DSG電機,動力性能提升更為明顯。

比亞迪采用DM3技術生產的唐DM,屬于SUV車型(圖5)。唐DM的動力系統包括2.0發動機、BSG電機,及前后兩個電機,總功率和總輸出扭矩比DM2分別提升了19%和16%,百公里加速可達4.3s

 

5 比亞迪DM3技術產品唐DM動力系統

動力系統中的BSG電機,功率25kW負責自啟停、能量回收、扭矩輔助優化傳動平順性[31]。電動四驅用輸電線取代了傳統四驅系統中的傳動軸,節省空間,可更合理的優化底盤結構[32]

該款車型工作模式豐富,可以實現純電驅動、并聯四驅、并聯前驅、串聯驅動、能量回收五種工作模式

這款車的不足在于,電機與發動機沒有進行深度融合,節油方面潛力有限。在沒有電進入饋電狀態情況下發動機負載著電池和多個電機行駛油耗較大 [33][34]

總體來說,唐DM雖然在節油潛力上還有提升的空間,但是,其獨特的SUV市場定位滿足了特定人群對于動力型混動汽車的需求,同時,其技術創新性以及勇于實踐的膽識,值得肯定和借鑒。

 

2.3.3  比亞迪混動車發動機控制技術研究進展

在混動汽車中,BSG電機負責自啟停、助力、發電功能然而,如果BSG電機出現故障,且混合動力汽車無起動機,則無法啟動發動機進行充電或者驅動,可能會導致汽車癱瘓。

為了解決這一問題,比亞迪公司開發出一種混動汽車發動機的控制方法[35],該方法利用發動機控制裝置可在BSG發生故障時通過電機控制發動機啟動

具體來說,這種發動機控制裝置包括判斷模塊和控制模塊判斷模BSG發生故障時,判斷混動汽車是否滿足反拖發動機啟動控制條件。控制模塊在判斷模塊的答案為“是”時,控制電機通過離合器反拖發動機啟動。

該技術能保證混動汽車燃油系統的正常使用,有助于提高整車的安全性及動力性。

 

 

 

3  結論及建議

3.1  結論

比亞迪公司經過20余年的發展,借助自主創新,打破了國外技術封鎖,成為我國新能源汽車領域的代表性企業該公司的優勢在于:

1)遠見性。比亞迪在市場方面富于戰略性的眼光,十余年前開始布局IGBT的研究,近年來積極開展SiC功率半導體材料、三元電池等新技術的開發和應用。

    2)創新性。善于捕捉國內市場缺口,自主開發出具有獨特性能的產品,包括具有較高可靠性和效率的IGBT芯片技術,安全、節能性突出的電動大巴用磷酸鐵鋰電池,及獨具動力性優勢的DM混動汽車。

    3)開拓性。準確把握國際市場的脈搏,將外形時尚、性價比高的電動大巴等產品成功拓展到海外市場。

 

3.2  建議

    為我國相關行業提出以下建議:

(1) 促進技術的集成化和高效化。

IGBT方面,通過開發EDT2電力動力總成CSTBT載流子增強、集成傳感器等新技術的集成化應用,實現產品的高效化、超薄化和可靠性,產品材料以Si、SiC為重點,注意GaN氮化鎵等新材料的研發。在動力電池方面,兼顧高鎳NCM電池和高能量密度磷酸鐵鋰電池的發展,注意固態電池的研究動向。在混動汽車方面,加快發動機、變速箱和不同動力總成耦合技術的開發,以及車身輕量化技術的研究。

(2) 實現產品的多樣化和定制化。

根據市場需求,開發額定電壓和電流等指標細分化、價格從高端型到經濟型多樣化的IGBT產品,開發圓柱形和軟包三元電池產品,兼顧能量密度和安全性。兼顧PHEV的動力性和節能性,注意特種用途如賽車、物流用車等PHEV的技術儲備。

(3) 提高售后服務水平。

通過產品測試和客戶調研等方式,全面研究產品問題解決方案,通過公司網站或是產品智能互聯系統等方式,提供產品詳細說明和售后服務平臺。

 


 
 
 

 
 
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