瑞驅科技魏延羽：車(chē)載氫燃料電池用高性能電驅動(dòng)技術(shù)研究及進(jìn)展
圖為蘇州瑞驅電動(dòng)科技有限公司前瞻研發(fā)中心主任魏延羽博士作主題演講
8月25日，“2023氫能與燃料電池技術(shù)及應用國際峰會(huì )”在中國上海召開(kāi)，蘇州瑞驅電動(dòng)科技有限公司的前瞻研發(fā)中心主任魏延羽在會(huì )上做主題演講。
以下是發(fā)言?xún)热菸淖钟涗?，未?jīng)嘉賓審閱：
魏延羽：
各位專(zhuān)家、領(lǐng)導下午好，非常榮幸能在這里代表瑞驅科技跟大家分享一下我們公司在車(chē)載氫燃料電池應用領(lǐng)域，電驅動(dòng)產(chǎn)品上面的一些思考和我們的一些工作成果。
我今天的匯報大概是四個(gè)部分：
第一個(gè)就是對氫燃料電池系統里面電驅動(dòng)的產(chǎn)品做一個(gè)簡(jiǎn)單的介紹；
第二個(gè)引出電驅動(dòng)產(chǎn)品架構發(fā)展的趨勢；
第三個(gè)是我們公司在電驅動(dòng)產(chǎn)品上的一些技術(shù)研究；
第四個(gè)對我們公司做一個(gè)簡(jiǎn)單的介紹。
首先是氫燃料電池電驅動(dòng)產(chǎn)品，氫燃料電池里面的零部件非常多，有哪些被我們歸為電驅動(dòng)產(chǎn)品呢？最核心的是DCDC的變換器，剛才黃總介紹了有空壓機，我們給它配套做空壓機的控制器，還有氫氣循環(huán)泵的控制器，包括水泵的控制器。
這幅圖是車(chē)載氫燃料電池系統的示意圖，這里面標出來(lái)了5個(gè)電驅動(dòng)產(chǎn)品在車(chē)里面所起的作用。實(shí)際上氫燃料電池系統，一般把它劃分成四個(gè)子系統，第一個(gè)是空氣子系統（供氧），第二個(gè)是氫氣子系統（供氫），第三個(gè)是水熱管理（冷卻水泵），第四個(gè)是電氣子系統（DCDC變換器），除了四個(gè)子系統之外還有一個(gè)大腦系統控制器（FCU）。
實(shí)際上氫燃料電池的電驅動(dòng)產(chǎn)品的架構，我們根據自己的理解把它分為三個(gè)階段，第一個(gè)階段就是X+1架構，1是指FCU，除了1之外X就包括DCF、ACP、HCP控制器、水泵控制器。
第二代的架構做了集成，除了FCU把所有驅動(dòng)類(lèi)的、大功率、高壓的部分集成了多合一的控制器，這個(gè)目前也是各家做電驅動(dòng)產(chǎn)品主流的做法。
最終發(fā)展趨勢是預的架構，有點(diǎn)類(lèi)似于車(chē)上面做預控制器這種，把所有的跟電相關(guān)的全部集成到一個(gè)控制器里面去。
分立產(chǎn)品X+1架構，我把它稱(chēng)為一個(gè)縱向集成，它是機電一體化的概念，把電控部件和運動(dòng)部件作為一個(gè)縱向的集成，類(lèi)似于目前比較主流的水泵控制器和泵體是集成在一起的。像氫氣循環(huán)泵控制器和泵雖然沒(méi)有放在一起，物理上沒(méi)有集成，但是實(shí)際上是成套的。但是FCU和DCF這部分只有電控沒(méi)有運動(dòng)部件的，X+1架構面臨的問(wèn)題主要是分立的零部件數量非常多，整個(gè)構成氫燃料電池系統的電器和機械接口就非常復雜。因為每一個(gè)控制器都要有一個(gè)獨立的殼體，整個(gè)空間利用率比較低，功率密度也比較小，是很難滿(mǎn)足市場(chǎng)需求。
所以就出現了第二代的多合一的1+1架構，1+1架構實(shí)際上是把出FCU之外的電控單元全部做一個(gè)橫向集成，叫電控一體化的產(chǎn)品，這樣做相當多個(gè)控制器共用一個(gè)殼體，帶來(lái)了電器和機械結構的簡(jiǎn)化，另外功率密度能夠大大的提升。
下面是域架構，域架構是把FCU也集成進(jìn)去，相當于電控部件除了執行的手腳，也把大腦集成進(jìn)去。這樣實(shí)際上是有一個(gè)發(fā)展趨勢，就是整個(gè)的控制器產(chǎn)品走向一個(gè)軟件定義系統的思路，而且更容易實(shí)現功能安全。
如果說(shuō)產(chǎn)業(yè)能夠按之前預期迅速發(fā)展的話(huà)，會(huì )很快走到域控制器的架構，但是我們目前面臨這樣一個(gè)現實(shí)，就是我們的量產(chǎn)需求出現了一個(gè)低谷，可能很多行業(yè)內的大家都正在經(jīng)歷這么一個(gè)過(guò)程，但是最終它的目標到2025年或者2050年車(chē)載氫燃料電池的應用還是會(huì )發(fā)展起來(lái)的，只是我們現在面臨一個(gè)低谷。這個(gè)時(shí)候量產(chǎn)需求是往下走的，但是平臺開(kāi)發(fā)類(lèi)的項目是在持續推進(jìn)的。
在供應鏈一側，半導體芯片包括第三代半導體碳化硅功率器件的供應是獲得了改善，應該從今年開(kāi)始。
另外一方面就是國產(chǎn)化的方案開(kāi)始越來(lái)越多，國家的供應鏈是有利好的。在產(chǎn)品這一側呢？因為多核心架構大概從去年開(kāi)始逐漸落地，產(chǎn)品開(kāi)始上車(chē)去跑，這樣的話(huà)在產(chǎn)品上應用的一些問(wèn)題開(kāi)始反過(guò)來(lái)牽引設計，有一點(diǎn)類(lèi)似于規模型的開(kāi)發(fā)，現在開(kāi)始反饋到了設計端。
所以我們對電驅動(dòng)控制產(chǎn)品大概的想法就是，第一個(gè)橫向集成會(huì )取代縱向集成，因為電控一體化是有很大的優(yōu)勢的，尤其是在功率密度這一塊。
第二個(gè)X+1的架構和1+1兩種架構，短期內會(huì )同時(shí)存在，不會(huì )很快把X+1架構取代掉。另外域架構需求可能不會(huì )那么快的推向市場(chǎng)。除了方向上的發(fā)展之外，我們目前看到電驅動(dòng)產(chǎn)品對成本可靠性、開(kāi)發(fā)周期的要求是非常緊迫的。
基于上面的思考，瑞驅已經(jīng)開(kāi)發(fā)完成的產(chǎn)品或者說(shuō)大概的規劃是這樣的，首先第一塊是瑞驅的氫氣循環(huán)泵產(chǎn)品，我們現在實(shí)際上已經(jīng)開(kāi)發(fā)完成了WTX-02、WTX-03、WTX-04三款產(chǎn)品，分別適用于不同功率等級的電堆，像WTX-02是我們第一款應該也是國內第一款200CC大盤(pán)量的氫氣循環(huán)泵產(chǎn)品，03是面向更大功率的電堆，04是降功率面向小堆的應用。
這邊還有一個(gè)目前產(chǎn)業(yè)大概思路就是把氫氣循環(huán)泵和引射器做一個(gè)集成，把它作為一個(gè)氫系統的陽(yáng)極模塊。
除了泵體瑞驅提供循環(huán)泵的控制器產(chǎn)品，我們面臨三個(gè)電壓平臺都可以提供適配的控制器。
在空壓機控制器這塊，瑞驅是目前規劃了四款系列化的產(chǎn)品，目前ACP35、ACP40、ACP50都已經(jīng)實(shí)現量產(chǎn)，ACP60是在必樣階段。ACP35是匹配大概20千瓦到35千瓦功率段，ACP40是比ACP35在EMC方面有了很大的提升，然后能夠實(shí)現Class3的要求。ACP50是面向更大功率的電堆，ACP60是基本上能夠覆蓋掉180千瓦電堆系統，除了分立的電驅動(dòng)產(chǎn)品之外，瑞驅還在開(kāi)發(fā)多合一的控制器，目前我們在做的是210千瓦的多合一控制器，里面集成了DCF、ACP控制器、氫氣循環(huán)泵控制器，里面包含了ES功能和PDU單元。
下面是瑞驅在一些技術(shù)方面的研究和進(jìn)展，我們劃分為一些功能性的技術(shù)和一些多合一里面各個(gè)零部件單元模塊化的技術(shù)。首先是第三代大功率半導體碳化硅的應用技術(shù)，瑞驅是面臨開(kāi)發(fā)周期大大縮短的挑戰，然后我們采用的策略是用模塊化設計，把采用碳化硅多管并聯(lián)技術(shù)，還有金屬極板我們做出來(lái)半橋的功率模塊，像圖示的功率模塊我們能夠實(shí)現75A的載流，在A(yíng)CP控制器上能實(shí)現15kw的功率輸出，在DCF上是25kw。當我需要大功率產(chǎn)品的時(shí)候，我就通過(guò)模塊的堆疊實(shí)現功率的擴展。這個(gè)模塊我們給他實(shí)現了電流電壓有溫度的隔離采樣以及短路、過(guò)壓、過(guò)流保護功能。
在EMC技術(shù)，對于車(chē)載氫燃料電池EMC我們的理解更多是指EMI，因為里面有高頻的PWM開(kāi)關(guān)和一些大功率的電流，所以更多的是干擾別人。我們通過(guò)DVDT的優(yōu)化，通過(guò)PWM策略的優(yōu)化，降低發(fā)射源，通過(guò)結構上的分倉、屏蔽設計、以及空間布局上的優(yōu)化，來(lái)減少耦合，通過(guò)設計高衰減增益的濾波器抑制對外的電磁輻射，目前我們的產(chǎn)品是能夠滿(mǎn)足Class3的要求。
這塊是磁集成電感技術(shù)，這里面因為現在多合一背后的邏輯就是要節省空間，提高功率密度，怎么樣節省呢？這里面磁、電感、元件是電驅動(dòng)產(chǎn)品里面占體積非常大的一塊，我們通過(guò)分享耦合的磁集成電感設計，能夠把電感電流紋波降低22%的同時(shí)，把體積和重量降低34%，能夠實(shí)現功率密度的大幅度提升。
在軟件開(kāi)發(fā)這一塊，目前我們是引入了MBD自動(dòng)代碼生成的開(kāi)發(fā)方式，通過(guò)需求管理、模塊化設計和快速仿真驗證，最終實(shí)現自動(dòng)代碼生成，除了MBD，我們目前正在研究的就是Autosar架構，就是把汽車(chē)產(chǎn)業(yè)里面軟件開(kāi)發(fā)的Autosar架構理念引入到車(chē)載的氫燃料電池系統、電驅動(dòng)的產(chǎn)品軟件開(kāi)發(fā)里面來(lái)，實(shí)現軟件和硬件的結耦，提高軟件的質(zhì)量。
另外就是我們在做關(guān)于功能安全這一塊的一些研究，通過(guò)三層的監控架構以及支持Asil-D的多核MCU方案，然后再結合MBD和Autosar架構完成功能安全的實(shí)現。
這一塊就是各個(gè)模塊一些關(guān)鍵的技術(shù)，這是在氫氣循環(huán)泵上面要面臨低溫冷啟動(dòng)的問(wèn)題，瑞驅開(kāi)發(fā)了自己獨有的破冰啟動(dòng)技術(shù)，能夠實(shí)現溫度零下35度的無(wú)外加熱源的冷啟動(dòng)。圖片上是搭載瑞驅W(xué)TX02氫氣循環(huán)泵上汽的燃料電池車(chē)型，在黑龍江黑河的冬季標定，當時(shí)是能夠完全實(shí)現無(wú)故障的啟動(dòng)。
這塊是空壓機的快速啟動(dòng)，剛才黃總講過(guò)，空壓機軸承那邊的氣息很小?？諌簷C有一個(gè)特點(diǎn)就是在低速段，要靠空氣軸承是很容易損傷的，所以要快速的渡過(guò)這個(gè)階段，瑞驅通過(guò)自己的技術(shù)研發(fā)，能夠保證在0.3秒內把空壓機加速到起飛轉速，這個(gè)目前在業(yè)內應該是做得比較快的。
這一塊是DCF這一部分的交錯并聯(lián)優(yōu)化技術(shù)，DCF目前電堆的功率等級在不斷的提升，像現在已經(jīng)有300千瓦的電堆出現，DCF的功率等級也隨之提升。目前一般都是用交錯并聯(lián)的方案去做，但是用多少路去做交錯并聯(lián)是一個(gè)很難去確定的問(wèn)題，瑞驅是做了這么一個(gè)優(yōu)化技術(shù)，通過(guò)設定效率、紋波電流和功率器件特性這樣的一些限制條件，然后最終做一個(gè)多目標的全局尋優(yōu)，實(shí)現這個(gè)體積和重量的最優(yōu)。
我們目前在剛才的210千瓦的多合一控制器用了十路的交錯并聯(lián)，這塊是目前DCF一般都會(huì )具備電化學(xué)組抗譜的測量，它的功能是去識別電堆的水研或者磨干的一些狀態(tài)來(lái)做一些健康的診斷，目前瑞驅在這塊能夠做到的單頻和多頻的疊加，頻率范圍是從4赫茲到2K赫茲，THD的識別精度大概是3%。
下面就是對我們公司做一個(gè)簡(jiǎn)單的介紹，瑞驅是2016年成立，公司地址是在昆山，我們目前的兩塊業(yè)務(wù)除了氫燃料電池BUP電控部件來(lái)做車(chē)載的熱管理，就是壓縮機控制器，壓縮機這一塊。
這是瑞驅的一個(gè)發(fā)展歷程，我們大概是2017年和上汽的前瞻技術(shù)部開(kāi)始合作開(kāi)發(fā)，大概是在2019年在國內推出了首款大排量的氣循環(huán)泵產(chǎn)品，目前氣循環(huán)泵在國內的市場(chǎng)占有率比較靠前，后面我們就開(kāi)始開(kāi)發(fā)空壓機的控制器包括多合一控制器。
這個(gè)是我們大概的公司產(chǎn)品圖譜，上面已經(jīng)介紹過(guò)了，就不多說(shuō)了。我今天的匯報就到這里，謝謝大家。
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