Do resfriamento de óleo à supercondutor: uma olhada na disputa de rota tecnológica de motores de veículos elétricos

1. Motor de ímã permanente de fluxoxial

Princípio técnico:

Ao contrário dos motores de fluxo radial tradicionais (onde o campo magnético é perpendicular ao eixo do rotor), os motores de fluxo axial apresentam uma direção de campo magnético paralelo alinhada com o eixo. Esses motores empregam uma estrutura em forma de disco, onde os componentes do estator e do rotor são empilhados axialmente. Esse projeto reduz significativamente o comprimento do circuito magnético, diminui as perdas de relutância magnética e permite taxas de preenchimento de enrolamento mais altas.

Vantagem central:

Densidade de potência: até 5,8 kW/kg (em comparação com os motores tradicionais em aproximadamente 3,2 kW/kg), com uma redução de 30% no tamanho, tornando -o ideal para aplicações de veículos compactos. Eficiência: aumenta a eficiência em 3% a 5% em uma ampla faixa de velocidade, particularmente adequada para cenários de alto torque, como veículos off-road ou carros de alto desempenho. Dissipação de calor: O projeto de resfriamento de dupla face reduz o aumento da temperatura em 15%, garantindo uma produção sustentada de alta potência.

Caso de aplicação:

Ferrari SF90 Stradale: Usando o motor de fluxo axial de Yasa, a energia de pico do sistema é de até 160kW, ajudando o veículo a acelerar de 0 a 100 km/h em apenas 2,5 segundos.

Desafio:

Custo de fabricação: o processo de laminação de precisão requer alto e o custo de produção em massa é 20% ~ 30% maior que o dos motores tradicionais. Maturidade da cadeia de suprimentos: Apenas algumas empresas (como Yasa, Magnax) têm capacidade de produção em larga escala no mundo.

Perspectivas futuras:

Espera-se que, após 2025, com a melhoria do processo de estampagem e a diminuição do custo do material (como a aplicação de aço de silício não orientado), o motor de fluxo axial penetrasse gradualmente no mercado de carros de passageiros de 300.000 yuans.

2.

Princípio técnico:

O motor é diretamente integrado à roda e cada roda é acionada independentemente através do controle eletrônico, eliminando as peças mecânicas tradicionais, como eixo de transmissão e diferencial.

Vantagem central:

Eficiência espacial: o espaço do chassi é liberado e a flexibilidade do layout da bateria é aumentada em 40%. Desempenho de manuseio: a precisão do controle do vetor de torque atinge ± 0,5 °, apoiando funções especiais de direção, como "direção do tanque" e "modo de caranguejo". Eficiência de recuperação de energia: quatro rodas independentes recuperam a energia cinética, melhorando a faixa geral de 8% a 12%.

Caso de aplicação:

Motor do cubo Protandrive: ele foi usado na chegadaVeículo comercial elétricoNo Reino Unido, com uma única potência de pico de motor de 75kW e uma massa total do sistema de apenas 36 kg.

Desafio:

Massa da primavera: O aumento da massa não primavera pode afetar a resposta da suspensão e precisa ser comparado a um sistema de suspensão ativo (como o controle contínuo de amortecimento do CDC). Selagem e dissipação de calor: Proteção IP67 e projeto de resfriamento de óleo aumentam o custo e são difíceis de produzir em massa.

Perspectivas futuras:

Veículos comerciais e veículos de passageiros de ponta são os primeiros a serem aplicados, e a maturidade da tecnologia de chassi controlada promoverá sua popularidade após 2025.

3. O sistema de acionamento elétrico de semicondutores de terceira geração (sic/gan)

Princípio técnico:

Os materiais de carboneto de silício (SiC) e nitreto de gálio (GaN) apresentam alto campo elétrico de ruptura e alta condutividade térmica, que podem ser usadas para fabricar dispositivos de alta frequência, alta temperatura e baixa perda.

Vantagem central:

Melhoria da eficiência: os inversores do MOSFET SIC reduzem as perdas em 70% em comparação com os IGBTs à base de silício, alcançando a eficiência do sistema motor superior a 97%. Compatibilidade de alta tensão: suporta plataformas de 800V com aprimoramento de eficiência de carregamento de 30% (por exemplo, a arquitetura de 800V da Porsche Taycan). Projeto leve: reduz o tamanho dos componentes de dissipação de calor, diminuindo a massa total do sistema de acionamento elétrico em 15%.

Caso de aplicação:

Tesla Modelo 3: Usando o módulo STMicroelectronics SIC, a faixa é aumentada em 6%. BYD E-PLATFORM 3.0: Todas as séries estão equipadas com controle elétrico SIC, e a eficiência abrangente da condição de trabalho atinge 89,7%.

Progresso da industrialização:

A China formou uma cadeia completa da indústria da SIC (como a San 'An Optoelectronics e Tianyue Avançado), e o custo das bolachas SIC de 6 polegadas domésticas cairá para US $ 400 / peça em 2024, impulsionando o rápido aumento da taxa de penetração.

4. Materiais ímãs permanentes de terra não rare

Princípio técnico:

Reduza a dependência de elementos de terras raras, melhorando o magnetismo de ferrita ou desenvolvendo novos ímãs compostos (por exemplo, ndfeb + ferrita).

Vantagem central:

Vantagem de custo: o custo dos ímãs de ferrita é de apenas 1/5 ~ 1/3 do NDFEB. Segurança de recursos: a China é responsável por 37% das reservas de terras raras, mas enfrenta riscos na cadeia de suprimentos internacional. As tecnologias que não são da terra podem melhorar a resiliência da cadeia industrial. Desempenho de alta temperatura: alguns materiais de ferrita têm uma taxa de desmagnetização abaixo de 5% a 150 ℃, tornando-os adequados para ambientes de alta temperatura.

Caso de aplicação:

Sistema de energia híbrida do GAC Jielang: o motor de ferrita de baixo custo é adotado e o produto de energia magnética é aumentado para 45mGoe (próximo ao nível de NDFEB de baixo custo). METAIS HITACHI: "Nenhuma pesada terra rara" ímã NDFEB é desenvolvido e a resistência à alta temperatura é melhorada em 50%.

Desafio:

Gardeco de desempenho magnético: O limite superior da energia magnética de ferrite é de cerca de 50 mGoe, o que é difícil de atender à demanda de veículos sofisticados. Complexidade do processo: os materiais magnéticos compostos precisam controlar a distribuição do circuito magnético com precisão, e a taxa de rendimento da produção de massa precisa ser melhorada.

5. Algoritmo de controle inteligente--Controle de otimização em tempo real de vários objetivos

Princípio técnico:

Com base no controle preditivo do modelo (MPC) e na tecnologia Twin Digital, os parâmetros do motor são ajustados dinamicamente para se adaptar a diferentes condições de trabalho.

Vantagem central:

Otimização do consumo de energia: Durante o cruzeiro de alta velocidade, o controle magnético fraco é usado para reduzir a perda de ferro e melhorar a eficiência energética geral em 5%. Gerenciamento térmico: a temperatura do enrolamento é prevista em tempo real e a estratégia de resfriamento é ajustada para estender a duração da potência de pico em 20%.

caso :
NIO ET7: Equipado com sistema de gerenciamento térmico inteligente, a potência contínua do motor é aumentada em 25%. O Huawei Drive um: adota o algoritmo de otimização de IA e a taxa de cobertura do diagrama de mapas de eficiência do acionamento elétrico atinge 92%.

6. Gerenciamento de saúde acionado por IA

Princípio técnico:

O aprendizado de máquina é usado para analisar os sinais de vibração e atual para realizar a previsão de falhas e a otimização da vida.

Vantagem central:

Aviso de falha: a rede LSTM pode prever falhas de rolamento com precisão de mais de 92%, reduzindo o tempo de inatividade não planejado. Extensão da vida: O ajuste dinâmico da estratégia de PWM pode prolongar a vida útil do IGBT em 30%.

Caso：

Atualização do Tesla OTA: em 2023, a lógica de controle do motor foi otimizada por meio de atualizações de software, reduzindo os riscos de recall em 70%. Siemens Sidrive IQ: O sistema de gerenciamento de saúde motor industrial foi migrado para novos veículos de energia.

7. Princípios técnicos e classificação da tecnologia de gerenciamento térmico eficiente global

Tecnologia de resfriamento de óleo duplo

Aumento do custo: requer bombas de óleo de alta precisão e projetos de vedação, resultando em um aumento de 8% a 12% nos custos do sistema. Complexidade da manutenção: os riscos de bloqueio do circuito de petróleo exigem manutenção regular, aumentando as despesas de manutenção do usuário. Melhoramento contínuo de potência: comparado à tecnologia tradicional de resfriamento de água, a potência de saída contínua aumenta em 25% (por exemplo, a potência do pico do motor do NIO ET7 equipada com essa tecnologia atinge 480kW). Controle de temperatura: o aumento da temperatura do enrolamento do estator diminui em 15 a 20 ° ℃, permitindo estratégias de controle mais agressivas (como o modo de ejeção contínua). Princípio de trabalho: Os canais de óleo de resfriamento são dispostos dentro dos enrolamentos do estator do motor, enquanto a pulverização de óleo é aplicada ao eixo do rotor para dissipação de calor simultânea e eficiente do estator e do rotor.

Tecnologia de dissipação de calor do material de mudança de fase

Limitação da vida útil do ciclo: o material de mudança de fase experimenta uma diminuição de 10% a 15% na capacidade de armazenamento térmico após 5.000 transições de fase. Desafio inicial de baixa temperatura: a solidificação do material em ambientes frios pode atrasar a resposta térmica. Buffer de choque térmico transitório: absorve 200kj/kg de calor durante operações de aceleração rápida ou alta carga, reduzindo a taxa de aumento da temperatura em 40%. Projeto leve: reduz o peso em 30% em comparação com os dissipadores de calor tradicionais (por exemplo, o motor BMW IX atinge a redução de peso de 5,2 kg). Princípio de trabalho: Materiais de mudança de fase, como compostos baseados em parafina e estruturas-metais-orgânicos (MOFs), estão incorporados no alojamento do motor ou nos slots do estator, absorvendo o calor através do derretimento e tampão a dissipação térmica.

Prospect de aplicação

A curto prazo (antes de 2025): A tecnologia de resfriamento de óleo dupla face ficará generalizada em veículos de alto desempenho, com preços acima de 300.000 yuan (por exemplo, Tesla Plaid e Nio ET9), com uma taxa de penetração esperada de 35%. A longo prazo (2030): A combinação de materiais de mudança de fase e soluções de resfriamento líquido dominará o mercado, abordando particularmente os problemas de superaquecimento localizado em modelos de plataforma de alta tensão de 800V.

8. Princípio técnico do sistema de acionamento elétrico multi-in-one

O motor, redutor, inversor, conversor DC/DC, carregador a bordo (OBC), PDU (unidade de distribuição de energia), VCU (controlador de veículo), BMS (sistema de gerenciamento de bateria) e outros módulos são altamente integrados para formar uma montagem de acionamento elétrico compacto.

vantagem central

Otimização de tamanho e peso: o sistema de 8 em 1 da BYD atinge uma redução de 40% no volume e 20% de diminuição do peso, com uma densidade de potência atingindo 2,5 kW/kg. Aprimoramento da eficiência: o comprimento do chicote reduzido reduz a perda de transmissão de energia em 3%, alcançando uma eficiência geral superior a 91% (como visto no sistema Huawei Drivene). Controle de custo: a produção modular reduz os custos de fabricação em 15%, enquanto reduz o tempo de montagem em 50%.

Desvantagens

Dificuldade de manutenção: as peças de falha altamente integradas precisam ser desmontadas para substituição, e o custo de manutenção aumenta em 30%. Desafio de gerenciamento de calor: no layout compacto, a temperatura local do hot spot pode aumentar em 8-10 ℃, portanto o projeto de dissipação de calor precisa ser fortalecido.

Prospect de aplicação

Mercado de veículos de passageiros: A taxa de penetração de sistemas multi-in-one na classe A e acima dos modelos excederá 60% até 2025, impulsionada principalmente por BYD, Tesla e Geely. Adaptação de veículos comerciais: devido a menos restrições espaciais no campo de caminhões pesados, a velocidade de promoção é mais lenta (a taxa de penetração deve atingir 30% até 2030).

9. Princípio técnico da tecnologia de motor supercondutora

Utilizando as características de resistência zero dos materiais supercondutores a baixas temperaturas, as bobinas de alta densidade de corrente são fabricadas para melhorar bastante a densidade e a eficiência da potência.

Vantagem central: 

Densidade de potência Leap: MGB A bobina supercondutora atinge uma densidade de torque de 200 nm/kg a 20k (faixa de temperatura de nitrogênio líquido), superando 30 nm/kg dos motores tradicionais. Avanço de eficiência: com perda de resistência zero, a eficiência teórica se aproxima de 99,5%, enquanto a meta de engenharia prática é de 98%. Design leve: pesando apenas um terço dos motores convencionais para produção de energia equivalente, tornando-o ideal para aplicações especializadas, como carros voadores. 

Desvantagem:

O sistema de refrigeração é complexo: o dispositivo de circulação de nitrogênio líquido aumenta o volume (representando 40% do sistema motor) e o consumo de energia (a potência de resfriamento é responsável por 5% da potência de saída). O custo é alto: o custo dos materiais supercondutores + sistema de refrigeração é mais de 10 vezes o dos motores tradicionais e é difícil comercializar.

Teste de curto prazo: A Toyota planeja lançar um protótipo de caminhão pesado de células de combustível equipado com motor supercondutor em 2025, e o intervalo será aumentado para 1000 km. Potencial de longo prazo: se materiais de supercondutor de alta temperatura (como óxido de cobre de bário Yttrium) quebrarem a zona de temperatura do nitrogênio líquido (77K), ele pode entrar no mercado de carros de passageiros de ponta após 2035.

10. Princípio técnico do motor composto de engrenagem magnética

A transmissão de velocidade variável sem contato mecânico é realizada pelo princípio da modulação do campo magnético, e o motor e a engrenagem magnética são integrados.

Vantagem central:

Eficiência de transmissão aprimorada: elimina a perda de atrito da engrenagem, alcançando 98,5% de eficiência mecânica (em comparação com aproximadamente 95% nos redutores tradicionais). Projeto sem manutenção: a transmissão sem contato elimina alterações de lubrificante, reduzindo os custos de manutenção do ciclo de vida em 70%. Otimização de NVH: elimina o ruído da malha da engrenagem e reduz o nível de pressão do som interno em 5dB (a).

Força ou posição inferior:

Limite de densidade de torque: a densidade de torque do protótipo atual do laboratório é de apenas 50 nm/kg, que precisa ser aumentado para 80Nm/kg para ser competitivo. Complexidade de controle: Um novo algoritmo de controle de orientação magnético de campo precisa ser desenvolvido e o custo do desenvolvimento de software aumenta em 200%. 

Perspectiva de aplicação:

Avanço em cenários específicos: pode ser aplicado a veículos elétricos de luxo (como modelos de iteração Rolls-Royce Spectre) antes de 2030, concentrando-se no silêncio e na suavidade. Caminho de substituição da tecnologia: se o custo dos materiais de ímã permanente diminuir, a tecnologia de engrenagem magnética poderá substituir gradualmente a transmissão de duas velocidades.

11. Princípio técnico do design do motor reciclável

Através da estrutura modular, desmontagem fácil e processo de conexão e materiais de base biológica, a recuperação e a reutilização eficientes dos componentes motores podem ser alcançados.

Vantagem central:

Recuperação aprimorada de terras raras: o design do ímã segmentado aumenta a recuperação do boro de ferro de neodímio (NDFEB) de 60% para 95% (com base nos dados do teste do motor BMW IX). Pegada reduzida de carbono: Materiais de isolamento de base biológica como o ácido polilático alcançam uma redução de 40% do ciclo de vida. Conformidade regulatória: atende ao novo requisito de diretiva de bateria da UE para ≥90% de taxas de reciclagem motora, evitando efetivamente as barreiras comerciais.

Força ou posição inferior:

Compromisso de desempenho: a estrutura destacável reduz a rigidez do estator em 10% e aumenta o risco de vibração em alta velocidade. Aumento dos custos: o projeto modular aumenta o custo de fabricação em 8%~ 12%, que precisa ser diluído pelo efeito da escala.

Perspectiva de aplicação:

Mercado orientado por políticas: regiões com regulamentações rigorosas como a UE e a China assumirão a liderança na popularização, com a proporção de motores reciclados que devem exceder 25% até 2027. Espera-se que a inovação materiais: ROURNA DE INOVAÇÃO DE RAPACO: expandir sua aplicação para veículos de alto desempenho.

Resumo: Caminho de Comercialização de Tecnologia e Desafios

Vantagens e limitações técnicas Linha do tempo da comercialização: Gerenciamento térmico de alta eficiência com domínio total com estabilidade aprimorada de saída de energia, estendendo a vida útil do motor. A complexidade do sistema aumenta os custos de manutenção. 2025: Os sistemas de unidade elétrica multi-in-one maduros (para veículos premium) alcançam alta integração para redução de custos e melhoria de eficiência. Os desafios de manutenção persistem, apesar da implementação de gerenciamento térmico em escala (taxa de penetração de 2023 40%). Motores supercondutores demonstram extrema eficiência e densidade de energia. Os sistemas de refrigeração permanecem pesados ​​e proibitivamente caros. 2030+ (veículos comerciais lideram a carga): os motores compostos de engrenagem magnética oferecem operação silenciosa sem manutenção com avanços em eficiência, embora a densidade de torque permaneça insuficiente e os sistemas de controle permaneçam complexos. 2035 (mercado de carros de luxo): Os projetos de motores recicláveis ​​atendem aos padrões de conformidade ambiental com utilização de recursos sustentáveis. Os compromissos de desempenho ocorrem devido aos altos custos iniciais. 2026 (regiões exigidas por regulamentação)