槽內(nèi)注塑/三電平技術(shù)/槽內(nèi)油冷等等| 從上海車展看各家技術(shù)布局

上海車展展示了新能源汽車領(lǐng)域的多項(xiàng)前沿技術(shù)，涵蓋槽內(nèi)注塑、塑代鋁、槽內(nèi)油冷、發(fā)泡絕緣、嵌入式功率模塊及三電平技術(shù)等，揭示了未來驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的高效率、輕量化與智能化發(fā)展趨勢。

緊接上期上車展期間各家分布式電驅(qū)種類以及各自特色的總結(jié)，本期內(nèi)容主要是針對上海車展期間各家拿出的比較前沿的技術(shù)以及產(chǎn)品做一個(gè)交流總結(jié)，看看各公司未雨綢繆的布局以及到底哪些才是真正的未來趨勢。

本期內(nèi)容涵蓋了槽內(nèi)注塑、塑代鋁、槽內(nèi)油冷、發(fā)泡絕緣、嵌入式功率模塊、三電平技術(shù)。

01. 槽內(nèi)注塑以及塑代鋁技術(shù)

定子注塑是一種通過將熔融塑料注入模具，與定子鐵芯、線圈等部件結(jié)合，形成一體化結(jié)構(gòu)的制造工藝。其核心作用是固定線圈、增強(qiáng)絕緣性能并提升定子組件的機(jī)械強(qiáng)度。還能將定子鐵芯槽口密封成型，讓冷卻油直接流經(jīng)繞組所在的槽內(nèi)空間，也就是槽內(nèi)油冷，以此來延續(xù)峰值功率。

◎住友電木本次車展展出了其槽內(nèi)注塑技術(shù)，其用的是熱固模塑料封裝工藝，用150-300微米厚的封裝層替代絕緣紙，所用的凝固樹脂是一種低粘度高導(dǎo)熱定子密封樹脂組合物，通過優(yōu)化環(huán)氧樹脂、凝固劑與無機(jī)填充材料的配比，使樹脂在175度下的最低熔融粘度≤40Pa·s，實(shí)現(xiàn)快速填充定子槽且操作簡單。核心配方采用鄰甲酚酚醛環(huán)氧樹脂與酚醛樹脂系凝固劑，搭配球形二氧化硅（粒徑0.01-50μm）提升導(dǎo)熱性（≥0.7W/m·K），凝固后彎曲模量達(dá)10-30GPa確保結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。實(shí)測膠凝時(shí)間40-100秒，在保持流動(dòng)性的同時(shí)縮短成型周期。

而且這種注塑樹脂還是可降解回收的，是通過設(shè)計(jì)含有特定硅氧烷結(jié)構(gòu)(-Si-O-)的熱固性樹脂，使凝固后的密封樹脂在含氟離子溶劑中快速分解，無需高溫破壞即可輕松回收定子中的銅線等材料。具體方案包括：采用甲硅烷基醚改性酚醛樹脂或有機(jī)硅樹脂作為核心成分，凝固后形成易斷裂的硅氧鍵網(wǎng)絡(luò)；解體時(shí)僅需將定子浸入含氟溶劑（如四丁基氟化銨溶液），常溫下即可使樹脂崩解，銅線完整分離。實(shí)驗(yàn)顯示，該樹脂在溶劑中24小時(shí)內(nèi)完全解體，銅線回收率達(dá)100%，相較傳統(tǒng)高溫灰化工藝，成本下降且無二氧化碳排放，尤其適用于電動(dòng)汽車電機(jī)等需高效資源回收的場景。

◎匯川聯(lián)合動(dòng)力這次車展展出的槽內(nèi)注塑定子是通過高精度模具注塑，使鐵芯槽齒與注塑料形成分子級結(jié)合，同時(shí)，注塑體特有的阻尼特性可吸收電機(jī)電磁振動(dòng)，提升了驅(qū)動(dòng)電機(jī)在使用過程當(dāng)中的靜音性和舒適性。匯川選用了CTI值≥600V的高性能工程塑料，相比傳統(tǒng)絕緣紙的175V，絕緣性能大幅提升。這種材料不僅具備優(yōu)異的電氣絕緣性，還擁有出色的耐高溫特性，可以在電機(jī)高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)保持穩(wěn)定性能。同時(shí)，材料的導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到2.0W/m?K，是絕緣紙的13倍。

絕緣設(shè)計(jì)方面根據(jù)匯川聯(lián)合動(dòng)力實(shí)測數(shù)據(jù)顯示，其繞組端部高度縮減8-10%，同時(shí)爬電距離仍能保持3.0mm的安全冗余。工藝方面也相應(yīng)簡化了，注塑一體化成型工藝實(shí)現(xiàn)了定子組件零焊接，工序精簡約7%，取消了絕緣紙成型工藝及扭轉(zhuǎn)護(hù)齒工裝。

而且，其注塑絕緣層只有0.15mm厚，相對于傳統(tǒng)0.25mm的絕緣紙方案 ，可騰出空間讓扁線繞組寬度增加0.2mm、厚度增加0.075mm，槽滿率提升7%，同體積驅(qū)動(dòng)電機(jī)電流承載能力提升。該技術(shù)突破使同體積電機(jī)功率密度提升（3-6）%，同時(shí)絕緣體系厚度縮減（30-40）%。

◎舍弗勒的定子槽內(nèi)注塑的技術(shù)方案，是用整體注塑形成的聚合物代替槽絕緣紙，單層通過轉(zhuǎn)移模塑固定一個(gè)整體鐵心。

◎匯川聯(lián)合動(dòng)力這次車展還展出了其自主研發(fā)的塑代鋁新材料方案，是專為滿足電磁兼容性（EMC）屏蔽需求而設(shè)計(jì)，是一種高性能的注塑級工程塑料，該材料可廣泛用于外殼、支架、連接器和散熱器等關(guān)鍵部件。整體重量減輕7.7%，可將電機(jī)控制/電源蓋板和殼體全部替換，相比鋁合金材料，NVH下降5-10dB。

傳統(tǒng)殼體采用鋁合金（密度2.716 kg/m3），造成重量大、材料阻尼因子高，運(yùn)行中噪音顯著。而塑料的密度約為1.8kg/m3，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于鋁合金的密度，所以在相同體積下，由塑料基體和電磁屏蔽體形成的殼體的重量較小，并且其材料阻尼因子較低，所以在應(yīng)用過程當(dāng)中噪音也較小，從而可以實(shí)現(xiàn)降重和降噪的效果。

但是采用工程塑料做電機(jī)控制蓋板并且要在保持電磁屏蔽、防護(hù)和密封功能的前提下，實(shí)現(xiàn)減重降噪絕非易事。匯川的方案是通過在塑料表層或內(nèi)部集成金屬層、碳纖維布或金屬網(wǎng)等電磁屏蔽結(jié)構(gòu)，來解決塑料材料無法屏蔽電磁干擾的問題，并額外增強(qiáng)了耐腐蝕性。

02. 槽內(nèi)油冷與發(fā)泡絕緣技術(shù)

◎匯川聯(lián)合動(dòng)力的槽內(nèi)油冷電機(jī)其實(shí)在上海車展前NE時(shí)代就有介紹（匯川聯(lián)合動(dòng)力的槽內(nèi)冷卻方案?。?，其用的是異形線方案以及半沉浸式方案（繞組端部做密封處理），結(jié)合其發(fā)泡絕緣紙技術(shù)解決傳統(tǒng)滴漆工藝引入的潔凈度管控風(fēng)險(xiǎn)。其持續(xù)峰值比由傳統(tǒng)油冷方案的50%提升到80%，相比傳統(tǒng)油冷方案，持續(xù)熱負(fù)荷由1800A2/mm3提升到6500A2/mm3，功率密度提升30%，電機(jī)體積下降30%。

但是這種異形線要如何避免出現(xiàn)死液(不流動(dòng)區(qū)域)區(qū)域，同時(shí)還要可以增強(qiáng)對流換熱，達(dá)到提升繞組端部散熱效率的目的是一個(gè)難題。匯川的方案是通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)增加冷卻液在腔內(nèi)的流動(dòng)距離，強(qiáng)化擾動(dòng)與散熱。例如通過雙腔分隔+過液孔引導(dǎo)流動(dòng)的設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)冷卻液流速提升、流動(dòng)路徑延長與死區(qū)消除的多重效果。當(dāng)然實(shí)際應(yīng)用中需結(jié)合CFD模擬與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，進(jìn)一步優(yōu)化參數(shù)以確?？煽啃耘c經(jīng)濟(jì)性。

◎提到發(fā)泡絕緣就不得不提3M的發(fā)泡絕緣技術(shù)，這次車展3M也有展出，發(fā)泡絕緣紙就是通過特定的加熱過程，可實(shí)現(xiàn)對定子繞組的絕緣和凝固。3M的發(fā)泡絕緣紙發(fā)泡溫度是160度，凝固時(shí)間是160度保持30分鐘即可完成。通過發(fā)泡漲緊來到達(dá)固定繞組的作用，以此來省去滴漆工藝，這不僅能大幅提高定子生產(chǎn)節(jié)拍，還可以減少滴漆設(shè)備數(shù)量，縮小占地面積，并下降一次性設(shè)備投入。

同時(shí)，發(fā)泡絕緣技術(shù)杜絕了油冷方案中滴漆工藝堵塞定子軛部或槽間油路的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，該技術(shù)還具有高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和粘結(jié)性能，為800V電氣架構(gòu)下PEEK線不易掛漆的漆皮材質(zhì)提供了更優(yōu)的凝固方案。但也存在一定的問題，發(fā)泡絕緣紙雖能填充間隙，但可膨脹粘合劑層的導(dǎo)熱系數(shù)通常較低，不利于將定子繞組所產(chǎn)生的熱量散發(fā)到定向芯部外部。

針對這個(gè)問題，3M的解決方案是用的粘合劑分區(qū)設(shè)計(jì)，通過將槽絕緣紙的粘合劑層分為三段設(shè)計(jì)：中間的粘合劑區(qū)段采用高導(dǎo)熱非膨脹粘合劑覆蓋繞組槽底壁，直接提升熱量向定子外部的傳導(dǎo)效率，而兩側(cè)的粘合劑區(qū)段則采用可膨脹粘合劑，在受熱膨脹后自動(dòng)填充絕緣紙與扁銅線繞組之間的間隙，省去傳統(tǒng)浸漆工藝，同時(shí)配合壓敏膠膠點(diǎn)精準(zhǔn)固定絕緣紙位置，實(shí)測可使電機(jī)最高溫度下降4℃。巧的是發(fā)泡絕緣NE時(shí)代此前也有寫過，3M的這個(gè)方案與聯(lián)合電子分區(qū)發(fā)泡方案有些類似，感興趣的這是文章鏈接（發(fā)泡絕緣紙或是槽內(nèi)油冷的最優(yōu)解！）。

◎舍弗勒這次車展展出的槽內(nèi)油冷技術(shù)是采用的槽內(nèi)內(nèi)置流道設(shè)計(jì)，其出口端設(shè)置成了開放式出油口，出口端油罩與定子芯圍成容納油液的出口端油腔，繞組端部浸沒其中，出油口位于油腔頂部且未連接管路或接頭，使出口端油腔呈開放狀態(tài)，油壓接近大氣壓。具其車展期間給出的產(chǎn)品信息來看，其持續(xù)功率與峰值功率的比值達(dá)到了100 %，定子溫升最高可降50 K，轉(zhuǎn)子溫升最高可降30 K。

03. 嵌入式功率模塊

◎舍弗勒車展期間也是展出了其高壓嵌入式功率模塊，該產(chǎn)品采用高壓PCB嵌入式封裝技術(shù)，具有低損耗、高集成度、高效且耐用等優(yōu)勢，可適配新能源汽車800V平臺應(yīng)用，在下降成本的同時(shí)，可有效提升整車性能及效率。尺寸168mm*90mm（帶開放式水冷器），158mm*88mm（帶閉合式水冷器），重量790g。

相較于框架式與注塑式等傳統(tǒng)封裝形式，該款嵌入式功率模塊有諸多優(yōu)勢，首先就是雜散電感更低，效率更高，CLTC循環(huán)下可使逆變器的整體開關(guān)損耗下降高于30%，使逆變器效率提升至99%以上。而且流通能力也有提升，單位半導(dǎo)體的通流能力提升10%左右。在不下降開關(guān)頻率的前提下，該功率模塊的全性能峰值電壓最高可達(dá)930V，可滿足更高性能的應(yīng)用需求，提升了系統(tǒng)的可拓展性。其嵌入式功率模塊還采用了無引線互聯(lián)工藝，可使功率模塊的壽命達(dá)到傳統(tǒng)封裝的數(shù)倍，大幅提升產(chǎn)品的耐用性。

◎浩思動(dòng)力在車展期間也發(fā)布了一款氮化鎵PCB嵌入式封裝模塊，是用在其Gemini小型增程器上，相比于現(xiàn)有模塊封裝整體高度下降35%，體積縮小高于50%，雜散電感下降高于90%，并可解決氮化鎵器件在高功率場景面臨的過流能力低、散熱性能差、可靠性不足等多重痛點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)整車能耗優(yōu)化。

利用氮化鎵材料的超低電子遷移率特性，通過整機(jī)級-模塊級-芯片級三層級優(yōu)化電流路徑設(shè)計(jì)，將主回路雜散電感大幅下降90%至1nH水平，將導(dǎo)通開關(guān)損耗顯著下降，同時(shí)依托CIPB嵌埋封裝技術(shù)的雙面高效散熱結(jié)構(gòu)，可將氮化鎵芯片的過流能力與熱可靠性大幅提升，在行業(yè)內(nèi)創(chuàng)新性地提出了功率氮化鎵器件雙面強(qiáng)化冷卻十層嵌埋封裝設(shè)計(jì)方案。這一全新技術(shù)組合不僅打破了氮化鎵器件在高功率場景下的應(yīng)用瓶頸痛點(diǎn)問題，更成功推動(dòng)其首次規(guī)模化落地混合動(dòng)力系統(tǒng)。在實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)整體效率提升2%之外，也為整車能耗優(yōu)化帶來核心支撐。更詳細(xì)的內(nèi)容我們會在下期氮化鎵上車趨勢的內(nèi)容里詳細(xì)闡述。

04. 三電平

在汽車、光伏與風(fēng)電等新能源技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，為適應(yīng)高壓大功率的場合，三電平逆變器得到了廣泛應(yīng)用。相比傳統(tǒng)兩電平逆變器，二極管鉗位型(NPC)拓?fù)浜蚑型拓?fù)淙娖侥孀兤骺梢垣@得更多階的輸出電壓，使得輸出電壓諧波含量變小，更接近于正弦波、等效開關(guān)頻率高、諧波含量小、每個(gè)開關(guān)器件承受的電壓值相當(dāng)于原來直流電壓的一半等特色。

但是三電平逆變器每相橋臂的輸出端都通過箝位二極管連接到了直流側(cè)的電容中點(diǎn)，所以在逆變器工作時(shí)會有電流流入或流出電容中點(diǎn)，對上下兩個(gè)電容進(jìn)行不等量充放電，這會造成中點(diǎn)電位的不平衡。因此，中點(diǎn)電位不平衡問題是NPC三電平逆變器的固有問題。這會讓輸出電壓波形發(fā)生嚴(yán)重畸變，造成低次諧波輸入到電機(jī)中，使得電機(jī)的負(fù)載產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，影響變頻調(diào)速系統(tǒng)的性能；逆變器的開關(guān)器件承受的電壓應(yīng)力不同，致使開關(guān)器件的耐壓等級提高，提高了工程的成本，造成資源的浪費(fèi)；中點(diǎn)電位的波動(dòng)下降了電容的運(yùn)行時(shí)間，在功率傳遞過程當(dāng)中，如果不采取一定的措施，將會造成逆變器的電平數(shù)退化。

◎長安這次車展展出的三電平逆變磚兼容IGBT+SiC混聯(lián)或SiC方案，采用可調(diào)驅(qū)動(dòng)方案設(shè)計(jì)，可根據(jù)工況切換驅(qū)動(dòng)回路，下降開關(guān)損耗。同時(shí)也應(yīng)用了多項(xiàng)新技術(shù)、新工藝。自研Super T-Type控制算法，下降器件損耗，減少功率器件用量，兼顧成本與性能。銅排采用激光焊接工藝，雜散電感小。

長安維持中點(diǎn)電壓平衡是通過動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)冗余小矢量的作用時(shí)間，有效解決中點(diǎn)電壓偏移問題。將電壓矢量空間劃分為6個(gè)大扇區(qū)，每個(gè)大扇區(qū)進(jìn)一步細(xì)分為6個(gè)小扇區(qū)和2個(gè)區(qū)域，精確定位參考矢量位置；根據(jù)中點(diǎn)電壓偏差和輸出電流極性，實(shí)時(shí)計(jì)算或查表獲取分配因子k，動(dòng)態(tài)調(diào)整正/負(fù)小矢量的作用時(shí)間比例，實(shí)現(xiàn)電容充放電平衡。

◎吉利這次車展也展出了其三電平技術(shù)，具體技術(shù)信息都是沒有展示，從外部信息來看其采用了激光焊接工藝。聯(lián)合電子這次也有展出三電平技術(shù)，其拓?fù)錇門型三電平方案，模塊方案采用TPAK和PM6兩種功率模塊組合實(shí)現(xiàn)。