800V被認(rèn)為是下一代電動(dòng)車(chē)必經(jīng)之路,2019年保時(shí)捷發(fā)布全球首款800V車(chē)型Taycan?,F(xiàn)代E-GMP5、奔馳EVA、通用第三代純電動(dòng)平臺(tái)以及大眾Trinity,都選擇了800V電壓平臺(tái)。吉利SEA浩瀚平臺(tái)、廣汽、奇瑞、上汽等車(chē)企都在規(guī)劃800V的方案,800V成為車(chē)企新一輪競(jìng)爭(zhēng)的制高點(diǎn)。
800V的核心優(yōu)勢(shì)是快充性能提升明顯。800V電壓平臺(tái)搭配350kW超級(jí)充電樁所能實(shí)現(xiàn)的充電速度,不僅比目前常見(jiàn)的120kW直流快充樁要快上很多,更逐步接近傳統(tǒng)燃油車(chē)在加油站加油的使用體驗(yàn),尤其對(duì)于沒(méi)有家用充電樁安裝條件、充電依賴(lài)公共充電設(shè)施的用戶(hù)來(lái)說(shuō)是一大利好。Taycan支持800V直流快充,最大充電功率250kw,在22.5分鐘內(nèi)能從5%充到80%的電量。在補(bǔ)能焦慮依舊困擾電動(dòng)車(chē)發(fā)展的背景下,如何比拼補(bǔ)能速度成為新的焦點(diǎn),800V在這方面具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。
上圖(左):保時(shí)捷Taycan
(右):Taycan 快充SOC-功率曲線圖
800V能顯著降低高壓線束線徑,減少發(fā)熱,降低質(zhì)量,節(jié)約線束成本。電壓等級(jí)從400V提高至800V,根據(jù)最簡(jiǎn)單的P=UI,在輸出相同功率的情況下,800V系統(tǒng)所傳輸?shù)?a href="http://ttokpm.com/tags/電流/" target="_blank">電流就更小,線纜線徑和重量就可以降低,節(jié)省線束的成本及安裝空間。
800V平臺(tái)下電暈腐蝕出現(xiàn)概率增加,電暈腐蝕會(huì)對(duì)電機(jī)絕緣造成重大危害。電暈放電(corona discharge)是指氣體介質(zhì)在不均勻電場(chǎng)中的局部自持放電,是最常見(jiàn)的一種氣體放電形式。通常發(fā)生在在曲率半徑很小的尖端電極附近,如繞組出槽口處、繞組絕緣層內(nèi)部等。電暈即氣隙放電,部分能量轉(zhuǎn)換為光、熱、聲、電磁等,會(huì)造成:
熱效應(yīng)局部溫度升高,絕緣老化等;
機(jī)械損壞,大量帶電離子“電子和正負(fù)離子”以高能量和高速度撞擊,造成絕緣層機(jī)械強(qiáng)度降低、局部放電區(qū)域絕緣層出現(xiàn)麻點(diǎn)、麻坑、孔眼等絕緣失效問(wèn)題;
化學(xué)損壞,氣體局部放電形成臭氧,臭氧化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定,易生成氧化氮,再與水蒸氣反應(yīng)生成硝酸,腐蝕絕緣層。
上圖(左):脈沖電壓
(右):電暈腐蝕
要滿足800V的技術(shù)要求,主要通過(guò)兩種技術(shù)路線:
厚漆膜工藝;薄漆膜+PEEK膜包工藝;
提升漆膜厚度是最簡(jiǎn)單有效的途經(jīng),漆包線的絕緣性能與漆膜厚度成正比,現(xiàn)在主流的新能源扁線的結(jié)構(gòu)是:內(nèi)層為銅扁線導(dǎo)體,根據(jù)扁線性能要求和使用領(lǐng)域不同,銅扁線導(dǎo)體外涂設(shè)有二層或者三層絕緣漆膜,漆膜具體包括底漆層、耐電暈漆層和面漆層。第一層為聚酯亞胺或者聚酰胺酰亞胺漆膜,第二層為耐電暈漆膜,第三層為聚酰胺酰亞胺或者聚酰亞胺漆膜。
上圖:扁線道題漆膜涂層分布
根據(jù)精達(dá)股份楊思偉的講話,厚漆膜工藝解決電暈腐蝕主要有以下3條路線:
提高漆包線的局部放電起始電壓(Partial Discharge Inception Voltage,PDIV)值:使漆包線的PDIV值高于電機(jī)運(yùn)行中的過(guò)沖電壓,保證不會(huì)因?yàn)榫植糠烹姸l(fā)生絕緣損耗現(xiàn)象。高壓電機(jī)用的漆包線,通常采用介電常數(shù)低的PI漆膜,因?yàn)镻DIV和介電常數(shù)呈反比關(guān)系,介電常越低PDIV值越高。另外還可以增加漆膜厚度,從而達(dá)到提高PDIV值。目前精達(dá)股份可以做到雙邊膜厚320μm,PDIV可達(dá)2300Vp以上。
提高漆包線的耐電暈性能:過(guò)提高漆包線的耐電暈性能來(lái)增加漆膜的壽命。它是通過(guò)延長(zhǎng)破壞通道路徑,耐電暈層可以作為放電阻擋層,降低局部放電漆膜侵蝕;有利于空間電荷的擴(kuò)散,抑制空間電荷的積聚。
兼顧PDIV和耐電暈性能:用PI+P(A)I耐電暈的涂層,這樣漆包線不但具有耐電暈性能同時(shí)還兼具高PDIV的特性,目前精達(dá)股份漆膜厚度可達(dá)320μm,常溫可以達(dá)到2200Vp以上。
上圖:耐電暈漆包線涂層材料
厚漆膜工藝有以下缺陷:
由于漆包線生產(chǎn)方式為多道涂覆+重復(fù)烘烤,為使漆膜達(dá)到指定的厚度,需要對(duì)原有漆包機(jī)進(jìn)行改造,將幾個(gè)機(jī)頭合并在一起才能連續(xù)生產(chǎn)。改造后的漆包機(jī)產(chǎn)能下降,產(chǎn)品的單位能耗上升,同時(shí)排出的廢氣也大量增加;
工藝繁瑣,產(chǎn)品需要經(jīng)過(guò)三十次以上的涂覆烘烤過(guò)程,行線過(guò)長(zhǎng),要調(diào)整部分工藝參數(shù):一方面,因生產(chǎn)中烘烤次數(shù)過(guò)多,易造成漆膜固化過(guò)度,損傷漆膜,從而影響產(chǎn)品性能,產(chǎn)品偏心度也比一般產(chǎn)品大。另一方面,產(chǎn)品在生產(chǎn)過(guò)程中漆包線多次往復(fù)經(jīng)過(guò)導(dǎo)輪,也必定會(huì)對(duì)漆層造成損傷,造成產(chǎn)品質(zhì)量下滑;
上述超厚型漆膜的設(shè)計(jì)是出于滿足驅(qū)動(dòng)電機(jī)線圈耐高電壓和高PDIV的目的,但漆膜過(guò)厚會(huì)對(duì)其他性能產(chǎn)生負(fù)面影響;包括但不局限于出現(xiàn)漆膜柔韌性下降、驅(qū)動(dòng)電機(jī)線圈繞制過(guò)程中漆膜易開(kāi)裂、不能滿足某些驅(qū)動(dòng)電機(jī)長(zhǎng)期在惡劣的工作環(huán)境(如高溫環(huán)境)下使用等狀況,從而給漆包線生產(chǎn)廠家及使用客戶(hù)帶來(lái)諸多困擾。
薄漆膜+聚醚醚酮(PEEK)被認(rèn)為是驅(qū)動(dòng)電機(jī)領(lǐng)域的終極絕緣方案。塑料之王PEEK具有優(yōu)良的綜合性能,在許多特殊領(lǐng)域可以替代金屬、陶瓷等傳統(tǒng)材料。該塑料的耐高溫、自潤(rùn)滑、耐磨損、耐電暈腐蝕和抗疲勞等特性,使之成為當(dāng)今最熱門(mén)的高性能工程塑料之一,它主要應(yīng)用于航空航天、汽車(chē)工業(yè)、電子電氣和醫(yī)療器械等領(lǐng)域。
上圖(左):PEEk 化學(xué)方程式
(右):PEEK的應(yīng)用
PEEK的綜合性能碾壓漆包產(chǎn)品,電機(jī)的使用環(huán)境越嚴(yán)苛,PEEK的優(yōu)勢(shì)越明顯,PEEK的優(yōu)勢(shì)包括:
耐高低溫,持續(xù)使用溫度達(dá)260℃,低溫可耐受100℃;
化學(xué)性能極為穩(wěn)定,各種常見(jiàn)溶劑中只有硫酸可溶解破壞它;
耐水、海水、蒸汽,低滲透性,低吸濕性,長(zhǎng)期放置在濕熱條件下仍能保持結(jié)構(gòu)及性能穩(wěn)定;
在熔融狀態(tài)下具有良好的流動(dòng)性,凝固后具有優(yōu)異的機(jī)械性能和尺寸穩(wěn)定性,使其可以通過(guò)擠出工藝一次性加工成型達(dá)到要求,降低了產(chǎn)品的加工難度和成本;
在較寬的頻率和溫度范圍內(nèi)保持良好的電氣特性,完全滿足電磁線絕緣要求;
無(wú)毒無(wú)污染,加工過(guò)程中產(chǎn)生的廢料可完全回收,減少成本的同時(shí)環(huán)保清潔;
優(yōu)異的介電強(qiáng)度,超高的PDIV值;
優(yōu)異的穩(wěn)定性,在長(zhǎng)時(shí)間使用中,性能衰減程度小。
PEEK材料適合單層擠出,實(shí)現(xiàn)更高的功率密度。PEEK多層擠出指的是擠出到涂覆層之外,可顯著提高絕緣性能;單層擠出指的是直接擠出到銅線上,無(wú)需粘接層。單層擠出可實(shí)現(xiàn)更薄的導(dǎo)線結(jié)構(gòu),從而實(shí)現(xiàn)更高的導(dǎo)線密度,從而提高驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率密度和槽滿率。
上圖(左):各種材料性能對(duì)比
(右):多層擠出與單層擠出
PEEK已經(jīng)應(yīng)用在電驅(qū)領(lǐng)域中,代表性產(chǎn)品為本田IMMD驅(qū)動(dòng)電機(jī),采用古河電工提供的HVWW高壓線,與漆包線相比,PEEK采用擠出工藝可以獲得更大的壁厚和更好的同心度,帶來(lái)的就是更高的PDIV值和尺寸一致性。此外由于PEEK耐磨性能好,銅線之間預(yù)留的安裝尺寸更小,能夠?qū)崿F(xiàn)更高的緊湊度,從而提升槽滿率。
上圖(左):本田IMD扁線示意圖
PEEK的大規(guī)模應(yīng)用主要難點(diǎn):
專(zhuān)利限制;
成本高昂。
專(zhuān)利限制:PEEK應(yīng)用的關(guān)鍵專(zhuān)利歸日本古河電氣工業(yè)株式會(huì)社所有。該發(fā)明提供一種抗變頻器浪涌絕緣電線,其在無(wú)損高溫下的絕緣性能的情況下可使絕緣層厚膜化、并具有較高的局部放電起始電壓與優(yōu)異的耐熱老化特性。其中,在導(dǎo)體1的外周具有至少1層漆包燒結(jié)層2,在漆包燒結(jié)層2的外側(cè)具有至少1層擠出被覆樹(shù)脂層3,漆包燒結(jié)層2與擠出被覆樹(shù)脂層3的合計(jì)厚度為50μm以上,漆包燒結(jié)層2的厚度為60μm以下,擠出被覆樹(shù)脂層3的厚度為200μm以下,擠出被覆樹(shù)脂層3在25℃~250℃的拉伸彈性模量的最小值為100MPa以上,將漆包燒結(jié)層2與擠出被覆樹(shù)脂層3合在一起的絕緣層的相對(duì)介電常數(shù)在25℃為3.5以下、在250℃為5.0以下,漆包燒結(jié)層2在250℃的相對(duì)介電常數(shù)(ε1‘)與擠出被覆樹(shù)脂層3在250℃的相對(duì)介電常數(shù)(ε2’)的關(guān)系滿足(ε2‘/ε1’)>1。擠出被覆樹(shù)脂層為熱塑性樹(shù)脂的層,作為形成擠出被覆樹(shù)脂層的熱塑性樹(shù)脂,例如可以擠出聚醚醚酮(PEEK)。若采用這些熱塑性樹(shù)脂,則與上述厚度、合計(jì)厚度、以及相對(duì)介電常數(shù)、相對(duì)介電常數(shù)及在25℃~250℃的拉伸彈性模量的最小值的比相互作用,從而局部放電起始電壓更進(jìn)一步提高,低溫下直至高溫下的機(jī)械特性及高溫下的絕緣性能也高度地維持,而且耐熱老化特性也更進(jìn)一步提高。
上圖:古河公司抗變頻器浪涌絕緣電線
中國(guó)企業(yè)也在研發(fā)PEEK相關(guān)產(chǎn)品。2021年6月11日精達(dá)股份的發(fā)明專(zhuān)利(一種PEEK電磁線的加工工藝)獲得授權(quán)。該發(fā)明提供一種結(jié)構(gòu)合理而使用可靠便捷的PEEK電磁線的加工工藝,其工藝控制點(diǎn)較少且步驟簡(jiǎn)化程度高,無(wú)需額外對(duì)漆包機(jī)進(jìn)行改造,同時(shí)大幅度減少了廢氣廢液的排放,降低能耗;按照該發(fā)明所提供的漆包線生產(chǎn)工藝所加工出的PEEK漆包線,具備了表面硬度大、耐刮擦、耐化學(xué)試劑、耐高溫高壓及能適應(yīng)各種惡劣工作環(huán)境工作的優(yōu)勢(shì),能滿足現(xiàn)有廠家及客戶(hù)對(duì)PEEK漆包線的生產(chǎn)加工及使用需求。
成本高昂:PEEK高昂的成本是阻礙其大規(guī)模應(yīng)用的重要因素之一,PEEK的綜合性能和優(yōu)勢(shì)碾壓其他產(chǎn)品,但同時(shí)采購(gòu)成本高昂,預(yù)計(jì)未來(lái)將首先應(yīng)用在1)使用環(huán)境惡劣,對(duì)性能要求高的車(chē)型;2)對(duì)成本敏感度低的豪華車(chē)型。
審核編輯 :李倩
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原文標(biāo)題:800V的扁線技術(shù)丨厚漆膜 VS PEEK
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