瑞驅(qū)科技魏延羽：車載氫燃料電池用高性能電驅(qū)動技術研究及進展
圖為蘇州瑞驅(qū)電動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及應用國際峰會”在中國上海召開，蘇州瑞驅(qū)電動科技有限公司的前瞻研發(fā)中心主任魏延羽在會上做主題演講。
以下是發(fā)言內(nèi)容文字記錄，未經(jīng)嘉賓審閱：
魏延羽：
各位專家、領導下午好，非常榮幸能在這里代表瑞驅(qū)科技跟大家分享一下我們公司在車載氫燃料電池應用領域，電驅(qū)動產(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部分：
第一個就是對氫燃料電池系統(tǒng)里面電驅(qū)動的產(chǎn)品做一個簡單的介紹；
第二個引出電驅(qū)動產(chǎn)品架構(gòu)發(fā)展的趨勢；
第三個是我們公司在電驅(qū)動產(chǎn)品上的一些技術研究；
第四個對我們公司做一個簡單的介紹。
首先是氫燃料電池電驅(qū)動產(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(qū)動產(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。
這幅圖是車載氫燃料電池系統(tǒng)的示意圖，這里面標出來了5個電驅(qū)動產(chǎn)品在車里面所起的作用。實際上氫燃料電池系統(tǒng)，一般把它劃分成四個子系統(tǒng)，第一個是空氣子系統(tǒng)（供氧），第二個是氫氣子系統(tǒng)（供氫），第三個是水熱管理（冷卻水泵），第四個是電氣子系統(tǒng)（DCDC變換器），除了四個子系統(tǒng)之外還有一個大腦系統(tǒng)控制器（FCU）。
實際上氫燃料電池的電驅(qū)動產(chǎn)品的架構(gòu)，我們根據(jù)自己的理解把它分為三個階段，第一個階段就是X+1架構(gòu)，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(gòu)做了集成，除了FCU把所有驅(qū)動類的、大功率、高壓的部分集成了多合一的控制器，這個目前也是各家做電驅(qū)動產(chǎn)品主流的做法。
最終發(fā)展趨勢是預的架構(gòu)，有點類似于車上面做預控制器這種，把所有的跟電相關的全部集成到一個控制器里面去。
分立產(chǎn)品X+1架構(gòu)，我把它稱為一個縱向集成，它是機電一體化的概念，把電控部件和運動部件作為一個縱向的集成，類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有放在一起，物理上沒有集成，但是實際上是成套的。但是FCU和DCF這部分只有電控沒有運動部件的，X+1架構(gòu)面臨的問題主要是分立的零部件數(shù)量非常多，整個構(gòu)成氫燃料電池系統(tǒng)的電器和機械接口就非常復雜。因為每一個控制器都要有一個獨立的殼體，整個空間利用率比較低，功率密度也比較小，是很難滿足市場需求。
所以就出現(xiàn)了第二代的多合一的1+1架構(gòu)，1+1架構(gòu)實際上是把出FCU之外的電控單元全部做一個橫向集成，叫電控一體化的產(chǎn)品，這樣做相當多個控制器共用一個殼體，帶來了電器和機械結(jié)構(gòu)的簡化，另外功率密度能夠大大的提升。
下面是域架構(gòu)，域架構(gòu)是把FCU也集成進去，相當于電控部件除了執(zhí)行的手腳，也把大腦集成進去。這樣實際上是有一個發(fā)展趨勢，就是整個的控制器產(chǎn)品走向一個軟件定義系統(tǒng)的思路，而且更容易實現(xiàn)功能安全。
如果說產(chǎn)業(yè)能夠按之前預期迅速發(fā)展的話，會很快走到域控制器的架構(gòu)，但是我們目前面臨這樣一個現(xiàn)實，就是我們的量產(chǎn)需求出現(xiàn)了一個低谷，可能很多行業(yè)內(nèi)的大家都正在經(jīng)歷這么一個過程，但是最終它的目標到2025年或者2050年車載氫燃料電池的應用還是會發(fā)展起來的，只是我們現(xiàn)在面臨一個低谷。這個時候量產(chǎn)需求是往下走的，但是平臺開發(fā)類的項目是在持續(xù)推進的。
在供應鏈一側(cè)，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，應該從今年開始。
另外一方面就是國產(chǎn)化的方案開始越來越多，國家的供應鏈是有利好的。在產(chǎn)品這一側(cè)呢？因為多核心架構(gòu)大概從去年開始逐漸落地，產(chǎn)品開始上車去跑，這樣的話在產(chǎn)品上應用的一些問題開始反過來牽引設計，有一點類似于規(guī)模型的開發(fā)，現(xiàn)在開始反饋到了設計端。
所以我們對電驅(qū)動控制產(chǎn)品大概的想法就是，第一個橫向集成會取代縱向集成，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X+1的架構(gòu)和1+1兩種架構(gòu)，短期內(nèi)會同時存在，不會很快把X+1架構(gòu)取代掉。另外域架構(gòu)需求可能不會那么快的推向市場。除了方向上的發(fā)展之外，我們目前看到電驅(qū)動產(chǎn)品對成本可靠性、開發(fā)周期的要求是非常緊迫的。
基于上面的思考，瑞驅(qū)已經(jīng)開發(fā)完成的產(chǎn)品或者說大概的規(guī)劃是這樣的，首先第一塊是瑞驅(qū)的氫氣循環(huán)泵產(chǎn)品，我們現(xiàn)在實際上已經(jīng)開發(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(nèi)第一款200CC大盤量的氫氣循環(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)泵和引射器做一個集成，把它作為一個氫系統(tǒng)的陽極模塊。
除了泵體瑞驅(qū)提供循環(huán)泵的控制器產(chǎn)品，我們面臨三個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(qū)是目前規(guī)劃了四款系列化的產(chǎn)品，目前ACP35、ACP40、ACP50都已經(jīng)實現(xiàn)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?qū)崿F(xiàn)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(tǒng)，除了分立的電驅(qū)動產(chǎn)品之外，瑞驅(qū)還在開發(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(qū)在一些技術方面的研究和進展，我們劃分為一些功能性的技術和一些多合一里面各個零部件單元模塊化的技術。首先是第三代大功率半導體碳化硅的應用技術，瑞驅(qū)是面臨開發(fā)周期大大縮短的挑戰(zhàn)，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，還有金屬極板我們做出來半橋的功率模塊，像圖示的功率模塊我們能夠?qū)崿F(xiàn)75A的載流，在ACP控制器上能實現(xiàn)15kw的功率輸出，在DCF上是25kw。當我需要大功率產(chǎn)品的時候，我就通過模塊的堆疊實現(xiàn)功率的擴展。這個模塊我們給他實現(xiàn)了電流電壓有溫度的隔離采樣以及短路、過壓、過流保護功能。
在EMC技術，對于車載氫燃料電池EMC我們的理解更多是指EMI，因為里面有高頻的PWM開關和一些大功率的電流，所以更多的是干擾別人。我們通過DVDT的優(yōu)化，通過PWM策略的優(yōu)化，降低發(fā)射源，通過結(jié)構(gòu)上的分倉、屏蔽設計、以及空間布局上的優(yōu)化，來減少耦合，通過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)品是能夠滿足Class3的要求。
這塊是磁集成電感技術，這里面因為現(xiàn)在多合一背后的邏輯就是要節(jié)省空間，提高功率密度，怎么樣節(jié)省呢？這里面磁、電感、元件是電驅(qū)動產(chǎn)品里面占體積非常大的一塊，我們通過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，把體積和重量降低34%，能夠?qū)崿F(xiàn)功率密度的大幅度提升。
在軟件開發(fā)這一塊，目前我們是引入了MBD自動代碼生成的開發(fā)方式，通過需求管理、模塊化設計和快速仿真驗證，最終實現(xiàn)自動代碼生成，除了MBD，我們目前正在研究的就是Autosar架構(gòu)，就是把汽車產(chǎn)業(yè)里面軟件開發(fā)的Autosar架構(gòu)理念引入到車載的氫燃料電池系統(tǒng)、電驅(qū)動的產(chǎn)品軟件開發(fā)里面來，實現(xiàn)軟件和硬件的結(jié)耦，提高軟件的質(zhì)量。
另外就是我們在做關于功能安全這一塊的一些研究，通過三層的監(jiān)控架構(gòu)以及支持Asil-D的多核MCU方案，然后再結(jié)合MBD和Autosar架構(gòu)完成功能安全的實現(xiàn)。
這一塊就是各個模塊一些關鍵的技術，這是在氫氣循環(huán)泵上面要面臨低溫冷啟動的問題，瑞驅(qū)開發(fā)了自己獨有的破冰啟動技術，能夠?qū)崿F(xiàn)溫度零下35度的無外加熱源的冷啟動。圖片上是搭載瑞驅(qū)WTX02氫氣循環(huán)泵上汽的燃料電池車型，在黑龍江黑河的冬季標定，當時是能夠完全實現(xiàn)無故障的啟動。
這塊是空壓機的快速啟動，剛才黃總講過，空壓機軸承那邊的氣息很小。空壓機有一個特點就是在低速段，要靠空氣軸承是很容易損傷的，所以要快速的渡過這個階段，瑞驅(qū)通過自己的技術研發(fā)，能夠保證在0.3秒內(nèi)把空壓機加速到起飛轉(zhuǎn)速，這個目前在業(yè)內(nèi)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，DCF目前電堆的功率等級在不斷的提升，像現(xiàn)在已經(jīng)有300千瓦的電堆出現(xiàn)，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)是一個很難去確定的問題，瑞驅(qū)是做了這么一個優(yōu)化技術，通過設定效率、紋波電流和功率器件特性這樣的一些限制條件，然后最終做一個多目標的全局尋優(yōu)，實現(xiàn)這個體積和重量的最優(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一般都會具備電化學組抗譜的測量，它的功能是去識別電堆的水研或者磨干的一些狀態(tài)來做一些健康的診斷，目前瑞驅(qū)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簡單的介紹，瑞驅(qū)是2016年成立，公司地址是在昆山，我們目前的兩塊業(yè)務除了氫燃料電池BUP電控部件來做車載的熱管理，就是壓縮機控制器，壓縮機這一塊。
這是瑞驅(qū)的一個發(fā)展歷程，我們大概是2017年和上汽的前瞻技術部開始合作開發(fā)，大概是在2019年在國內(nèi)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(nèi)的市場占有率比較靠前，后面我們就開始開發(fā)空壓機的控制器包括多合一控制器。
這個是我們大概的公司產(chǎn)品圖譜，上面已經(jīng)介紹過了，就不多說了。我今天的匯報就到這里，謝謝大家。
相關閱讀：
驗證碼：
