美国新能源电驱新式原料研发新动态(续二)

来源:未知 作者:admin 发表于:2020-06-17 12:43  点击:
原标题:美国新能源电驱新式原料研发新动态(续二) 来源 |电机研习社(djyxs2018) 佃频物流(服务)有限公司 原料科学的钻研是工业发展之本 新式原料的钻研是工业发展的先导之一

原标题:美国新能源电驱新式原料研发新动态(续二)

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佃频物流(服务)有限公司

原料科学的钻研是工业发展之本

新式原料的钻研是工业发展的先导之一,新式原料产业也是各国主要的战略性新式产业。各走业有关科学技术的迅猛发展,带动了新原料产品日月牙异,促进了产品升级迭代添快。很众新式的原料如石墨烯、非晶相符金、离子液体、碳化硅、碳纳米管等为工业的发展挑供了无限的能够性。新式原料技术的发展也促进了产品的发展,产品组织一体化、轻量化、节能化、智能化的趋势日渐清晰。原料的绿色节能及可新生循环等请求也日渐升迁。谈到和吾们新能源汽车有关的技术也有还很众,石墨烯电池、石墨烯电子器件、SiC电子器件、非晶相符金、泡沫金属、钛碳复相符原料、超导原料、新式无稀土磁钢、新式硅钢等也有很众成功的行使。西洋和日本关于电机新式原料的钻研在上世纪80年代就已经最先了,自然了关于此日本照样走到了前线的。新式无稀土磁钢技术国外一些国家不息在钻研与开发,因为行家都是清新的就不众描述。 本期就和行家一首聊一聊美国DOE有关项现在关于新式原料研发与行使的技术挺进和项主意研发近况。

新式原料的研发与行使

在半导体业内从原料端分为:第一代元素半导体原料,如硅(Si)和锗(Ge);第二代化相符物半导体原料:如砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)等;第三代宽禁带原料,如碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、氮化铝(ALN)、氧化镓(Ga2O3)等。

现在电力电子最火的一个课题是宽禁带器件,而一切宽禁带原料中,行使最普及的就是GaN和SiC这两栽。相对于硅原料,它们的导通压降幼,耐温高,耐压高,以及寄生参数幼。以是,他们能够做到更高的开关频率,更高的电压。基于Si的IGBT,最高电压能够做到6.5 kV,然而更高就不走了,一是体积因为,二是散炎题目。然而SiC的MOSFET和IGBT器件,Wolfspeed公司能够做到15kV,20kV,Rohm也有有关SiC产品。尽管高压SiC还没上市,但是很众文章都有发布过双脉冲测试终局,甚至建模手段。因此,在高压周围SiC一定是趋势。而GaN,清淡是600 V以下。然而,GaN能够很容易的做到100 kHz及以上。因此,GaN也是异日矮压周围的潜力股。

其实早在2014年美国总统奥巴马亲自立导成立了以SiC为代外的第三代宽禁带半导体产业联盟。这一举措的背后,能够看出美国对以SiC半导体为代外的第三代宽禁带半导体产业的强力声援。以是,对SIC及GaN等半导体器件的研发与行使也成为DOE此次2025路线图的一片面。

ELT261; 基于碳化硅(SiC)

反变器的重型卡车高效动力总成

该项现在将开发高效的电力传动体系,以添快美国卡车车队的电气化进程.项主意义务是设计和开发一流的高功率密度,高效的250kW不息SiC反变器,行使Meritor的电气化轴与集成的3速齿轮箱,将其集成到TransPower的驱动体系中.项现在团队由Ricardo Inc.(领先的SiC反变器公司),北卡罗来纳州立大学挑供仿真和设计专科知识声援以及TransPower Inc.(美驰公司的全资子公司)构成。

现在反变器设计概念验证已经最先,并且已经完善了几栽迥异的仿真方案。钻研656V标称电池电压对250kW反变器不息功率现在标的影响。

250kW SiC反变器柔件的开发已经完善

反变器体系仿真与设计

操纵PSIM开发的反变器功率消耗/效率评估平台,其器件炎模型包含冷却剂温度,散炎器炎网络模型。仿真平台包含宽禁带(WBG)功率器件的动态消耗、芯片炎阻抗的模型,以协助散炎片和冷却回路的设计/验证,用于评估和比较迥异功率设备的消耗特性,以确定最佳的模块选择

扩展了反变器仿真平台,以分析因为与WBG器件有关的高开关转换而产生的共模(CM)和差模(DM)噪声

ELT249:WBG设备和用于先辈

高功率密度电机汽车电力驱动器

该项主意现在标是WBG器件的研发与行使,主意为降矮汽车反变器的体积,重量和成本,并为挑高郑重性、耐用性挑供评估手段。

现在项现在挺进比较顺手,一方面经历对高开关频率器件的钻研得出了结论,三级GaN基反变器比二级SiC基反变器具有更高的效率。另一方面,项现在选择了三栽FOM矮的GaN器件进走耐用性评估,评估试验正在进走中。

经历DPT对所选设备进走了开关消耗的实验确定

团体架构采用800V DC总线架构。操纵的设备:3L NPC(基于GaN):S1-S4:GaN(650V,60A)和D1-D2:SiC肖特基二极管(650V,50A),2L VSI(基于SiC):S1-S2:SiC(1200V,60A)在较高的开关频率下,基于3级GaN的反变器的效率清晰优于基于2级SiC的反变器。

对所选设备进走了短路耐用性评估

确定的短路值将对设备珍惜电路的设计有用。设计的栅极驱动器必要在短路之前关闭设备。GaN器件不声援雪崩击穿,该设备答能够消逝机器存储的感答能量。短路能量处理对于选择反变器拓扑很有用。

WBG设备的FOM和双脉冲测试(DPT)

基于数据外的比较外明,GaN器件的FOM有了隐晦改善。从迥异制造商那里选择3栽FOM矮的器件,以经历DPT(在外壳温度转折下)外征开关消耗:A3和B1(GaN HEMT)C1(Cascode GaN FET)。从DPT得出的开关消耗数据将对传动体系反变器的消耗推想有用。

ELT247:具有成本竞争力,

高性能,高郑重性的碳化硅和氮化镓功率器件

该项主意主要现在标是确保下一代宽 禁带设备具有有余的性能,郑重性和价格,以实现体系级DOE现在标。所挑出的设备的成功开发将为电动传动体系带来高效,郑重的电力电子设备。

1、总结项现在经验,确定下一代宽 禁带设备的研发倾向。

2、开发了带有炎电偶的同化模式仿真来钻研SiC,为了获得准确的仿真终局,开发了非等温仿真模型,用非等温模拟评估了各栽器件组织。

3、完善了第一平面层和第二平面层的设计,包括PiN二极管,JBS二极管,联系我们MOSFET(迥异尺寸),JBSFET和测试组织(一切42栽迥异的器件设计)。

ELT246:WBG器件在电路,

电路拓扑,体系集成以及SiC行使

该项现在评估了分立式商用SiC器件的郑重性,并构建了10kW三相背变器。分析了栅极氧化物,短路,Vth漂移,体二极管的郑重性。另外,评判了现在的商用电子器件及有关设备不适用于汽车反变器中长达30万幼时的运走。

1、离散SiC MOSFET的郑重性/耐用性评估

阈值电压安详性:VG = 20V, 30V,-10V

1700V设备上的BodyDiode退化评估:

GateOxide漏电流评估:

ShortCircuitTime 评估:

2、商用基于SiC MOSFET 10 kW三相背变器的开发

现在已经完善的样板的硬件开发,下一步将进走柔硬件的联调。

项现在名称:Development of Sustainable High Performance Magnetic Materials for Exceptional Power Density Electric Drive Motors(ELT215)

项现在分工及路线图

详细的项现在计划流程如下图所示,第一阶段的做事橡树岭负责原料模型的竖立及仿真测试,桑迪亚国家实验室负责原料的研发。

项现在现在标

开发新式的永磁原料(PM)和生产工艺来代替稀疏/腾贵的重稀土(HRE)金属,同时要能够已足高功率密度的电动机对永磁原料性能的请求。

技术现在标:解决 ORNL之前项现在(经历挑高转速来挑高驱动体系的功率密度)高速消耗急剧添大以及冷却体系的题目。

1. 全工况周围内(最高20,000 RPM)缩短永磁体(PM)电机的涡流消耗,尽能够的减幼磁钢发炎退磁的风险。这边就必要对新式的磁钢原料进走研发与行使。本次汇报也是基于此方面磁钢新式原料技术做了详细的汇报。

2. 为ORNL新的外转子PM电机(挑高PM电机的功率密度)挑供原料技术倾向的声援。根据之前分析的ORNL的外转子电机的主要瓶颈在于转子的超高温度,转子磁钢退磁的风险极大。也就是要研发新式的抗高温特性益的磁性原料。

3.保持驱动体系的成本和高效能的前挑下尽能够最幼化PM冷却体系的需求。

新式原料的研发

本项现在汇报大片面是原料的钻研,用于驱动电机的Dyin RE-PM在高做事温度下仍能够保持高矫顽力。由下图能够看出非DyRE-PM超细晶粒能够挑高磁矫顽力和安详高温性能。

但是存在很众产品生产行使的壁垒必要解决,一方面是在生产过程中难以生产和细粉处理。必要褊狭的粒度分布和平滑的颗粒以挑高矫顽力。细粉的易燃性高请求行使更益的处理以及涂层,以最大水平地缩短氧化。另一方面,难以制成大块磁铁。操纵细粉很难十足晶粒对准。末了,团体死板性能的凶化,残留的外观氧化物使微组织变脆,随着氧化面积的进一步扩大,这栽情况变得更糟。

2019年取得了一些技术上的收获,主要是展现了超细晶粒尺寸对RE-PM的影响。经过验证的制造技术与以前的技术相比。优化了球磨时间,经历9T脉冲磁场进走粉末对准,经历500 MPa CIP进走绿色压实对准。

由上图表现经历改进技术已经添强了磁性能磁体:Hcj从10.2 kOe增补到12.6 kOe;(BH)max从33.0挑高至42.7 MGOe。优化工艺以获得更细粒度的磁体:Hcj从11.6 kOe增补到13.7 kOe;(BH)max从41.6挑高至43.6。外现出改善的温度性能:在一切温度下增补的Hcj。

随着球磨时间从7幼时增补到11幼时,平均粒径从3.6微米减幼到2.1微米,而响答的烧结磁体的晶粒尺寸从5微米减幼到4微米。最大挠弯强度随着烧结磁体的晶粒尺寸的减幼而降矮。断裂模式清淡是粒中止裂,裂纹大片面沿着断裂路径中的晶界传播。末了,经历沉降别离除往较大的颗粒,但同时在容器壁上也会亏损了一些超细颗粒。

由均匀/超细粉末(直径<5 µm)制成的磁体的退磁弯线因为改善了排列终局而具有更益的矩形度。但必要开发改进的烧结工艺以生产更细的粉末,以保持超细晶粒磁体。

现在最佳实验室超细晶粒无HRE磁体的磁性能如下图所示。其矫顽力及抗退磁的终局已经能够和重稀土的特性相通。

新式原料的行使

新式原料的研发是为了更的行使于产品。项现在成员做了一些行使仿真分析。竖立了相通于ORNL外转子永磁电机的几何形状。结相符有限元的分析需进一步追求此类此题行使的能够性。同时以展望空间转折的晶粒尺寸对磁性和死板性能的影响。而且必须在改善的磁性能和物理性能(电阻率和死板性能,例如断裂韧性)之间进走权衡。

在异国Dy的情况下,现有的Nd2Fe14B磁体的矫顽力在电动机的峰值做事温度下从18 kOe(22℃)降矮到2.5 kOe(180℃)。增补Dy和Co后Nd2Fe14B磁体在180℃时可保持7kOe,从而防止了由定子产生的往磁磁场产生的退磁影响。因此,操纵现有的无Dy磁铁的驱动电机必要厉肃的温度限制,这是实现DOE 2025现在标的重大难得,并且功率密度还要挑高到8倍。采用细晶粒Nd2Fe14B手段分析展望了矫顽力能够挑高25%的能够性,并且已经表清新矫顽力挑高了14%(在45.2 MGOe下)。细粒Nd2Fe14B在室温下具有这些添强的磁性能。线性降矮趋势外明,矫顽力足以在180℃下运走,这与增补Dy的Neo磁体的高温性能相通。

ELT216:Isotropic,Bottom-UpSoft Magnetic Composites for Rotating Machines.

ELT234:SoftMagnetstoAchieveHighEfficiencyElectricDriveMotorsof Exceptional Power Density

以上两个项现在都是关于新式柔磁原料的开发与行使。最先科普一下,柔磁原料(soft magnetic material)具有矮矫顽力和高磁导率的磁性原料。柔磁原料易于磁化,也易于退磁,普及用于电工设备和电子设备中。行使最众的柔磁原料是铁硅相符金(硅钢片)以及各栽柔磁铁氧体等 。柔磁原料具有磁滞回线窄而陡,磁化过程挨近可反,磁滞消耗幼,高磁导率,矮矫顽力的特点。综相符以上的特点能够清亮的看大,在高速大功率电机中行使存在很众的能够性。

因为以上两个项现在现在的挺进主要都是在原料学上的一些钻研,以是这边只跟行家分享下和吾们电机设计及行使有关的一些收获。采用柔磁原料能够进一步降矮消耗,并能在高达20,000 rpm的转速下高效运走。而且基于环氧树脂的基体(粘相符剂)能够在高温(最高 到150°C实现300,000英里或15年寿命。

如下图ORNL设计了用于外征电感器和迥异尺寸定、转子齿(网状Fe4N与环氧复相符原料),并操纵4-氨基苯基砜,三羟甲基丙烷三缩水甘油醚(TTE)成功地表清新基于环氧的化学作用。还操纵N,N-二缩水甘油基等行为三环氧化物制备了复相符原料。同时理论验证能够设计复相符原料在高速电机甚至飞轮旋转中得到成功最高60,000 rpm 强度的请求。

自下而上的复相符设计,环氧树脂与氮化铁的直接粘相符以及基体的强交相符添强了复相符原料的强度。如下正在对“狗骨头”样件组织进走死板测试

• 复相符原料已经在某些高速设计中操纵,以挑供更高的死板强度。操纵Fe4N的复相符原料能够在专门高的频率(例如100 kHz)下,其磁性能也会挑高。采用Fe4N/环氧树脂复相符原料还将行为极具上风在某些功率电子电感器件中得到行使,其做事频率有看达到1 MHz。

• 改进了传统的平面流铸手段,可实现具有较大晶粒尺寸的无相序6.5%硅钢。缩短铁损,并保持可成型性。

• 展现了采用Fe-Si-B相符金和Fe-6.5%Si的平面流铸体系。

生产出宽度为10毫米的不息色带。

• 开发出20mm宽的6.5%Si钢带。熔点比Fe-Si-B Metglas高约300℃。

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