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比亚迪杨玮:薄膜电容器技术应用与设计品质及未来规划

类别:行业访谈  出处:网络整理  发布于:2019-09-05 10:14:34 | 285 次阅读

  这是我们的规划路线,目前材料可能达到140℃。从比较厚的开始,达到12微米,膜变薄的发展会很快。十年前中国市场3微米以上的膜都很难,但是现在发展就很快,2.5、2.2都可以小批量生产。后面就是大能量密度。最终要归于智能化。
  本文为励展博览集团及NE时代于8月28-29日联合主办的 "第二届AWC2019新能源汽车关键元器件技术大会" 演讲嘉宾的现场实录。
  演讲嘉宾:杨玮 惠州比亚迪电池有限公司CPF工厂副厂长
  演讲主题:比亚迪电机控制器关键零部件——薄膜电容器技术应用与设计品质及未来规划
  杨玮:大家下午好,我是比亚迪的杨玮,看到很多认识的朋友感到很开心,希望今天的分享能给大家带来一些收获。
  首先我们对比亚迪进行整体介绍,我们有四大产业,五大事业群。刚才讲的薄膜电容器是在电池事业群,CPF工厂。CPF是零部件产品工厂下面一个项目,为什么把电容器放在电池事业群呢?是基于电容和电池有相似的卷绕。电容主要的部件像隔膜纸、结构件与电池都有相似性,另外,这有关于成本的管控。CPF工厂还有继电器、熔断器、导电柱等相关产品。
  上午来的时候,华域的马总坐我旁边,问我比亚迪也做电容器吗?说明我们的推广做得不是很好,我们在2005年就开始做电容器基础研究,后面经过拟投资分析以及产品可行性分析,我们在2007、2008年开始建生产线。因为电容是定制品,我们一开始只给内部供,一直到2017年,我们开始进行市场竞争。
  我们电容器主要是做定制化的,我们95%以上是用在电机控制器,起到直流支撑作用。另外在充电系统、压降也有应用。
  今天主要想给大家分享的是设计品质。我们的电容器是国内最早一批做定制化产品的,最开始像V2G,我们用的还是电力上的产品,后面把V2G产品转换成定制化的。最开始电容是单体,后面我们思考怎样把产品优化到一起。因为母排和电容电机引出都有一个公差,在焊接的时候稍微有一点间隙或者公差匹配不到位就导致焊接出问题,导致产品报废。我们连成一起以后,成本、可制造型一下子降了一半。我们从2011年开始匹配,例如秦是从样品就开始匹配,与整车厂有8年匹配经验。很多人也会问,你们从哪弄的经验和技术,其实很多时候就是失败多了就有经验了。
  比亚迪投资的MES都是根据产品定制的MES系统,自动化生产、工业4.0都是比亚迪的导向。我们始终认为,产品的品质不仅仅取决于制造水平,更多的基于该产品的设计。我们有基于系统的电控技术平台。汽车工程院、规划院,他们是EV和HEV分开的。还有基于原材料的研究中心,中央研究院,每个事业部或者事业群都有专门的研究机构。第二事业部就是电池事业群,也有专门的研究所。这样我们有全面的研发平台,会对基膜、金属化膜、铜排都会进行基础研究。
  关于设计品质,最开始就是客户给一个电控参数要求,体积容量越大越好,ESR越小越好。选的电容是不是符合控制器要求呢?整车和其他电力系统会有差异性,像现在的唐、宋的新款都有原地发电,每个人的开车习惯不一样,有人原地发电充电比较快,一下子充两个半小时就到90%,有些人还不知道,我开唐开了快4年了,也不知道这个功能。每个人开车习惯不一样,我们在台架上也好,或者在实验中也好,很难把每个人的习惯在台架上体现出来。我们跟电控有很直接的交流,对电容影响最大的是温升。温升比较高是满足规格的要求,但是能满足车的要求吗?我们后面就对电容和控制器进行密切配合分析,现在除了比亚迪以外还有很多客户对这一块双方特别理解。定制化产品一旦定型如果再变更很难,前期连接环节特别重要。
  设计形成闭环。我们已经从被动接受变成参与到整车设计中,不仅体现在我们公司,我们现在已经参与到工程院、规划院设计当中。对外我们也会参与联电等公司的设计,提一些要求。举个例子,第一个图是我们最开始秦一代的产品,当时我们客户给的要求是电感越小越好,除了在IGBT端做了压合,让电感比较小,直流端也要求说电感小。后面到200的时候想想,当时一点异议都没有,直流端连电池,电池连电控本来距离就很长,如果短的话就不需要电容了。我们在初始设计秦一代产品的时候,对母排结构是要评审的。比如母排很好做,焊接也很好做,但是没想到我们的供应商异面压合,难度是可想而知的,这样的成本也很难降低。到秦二代的时候,在电压和容量上都做了优化,成本自然降下来的,但是不影响性能。秦是最早的产品,关注度特别高,目前电容曲线呈上升状态。寿命曲线是先上升再下降,我们现在都是呈上升趋势,所以说设计还是在慢慢变成最恰到好处的设计。这是电容、电控和总成,我们工程师初始就会完善了解客户信息,不仅是接受者,而且是这方面的参与者,也促进我们的工程师队伍快速成长。
  设计检查。很多时候一说电容先关注的是金属化膜,我也会和客户讲膜的重要性在哪里,对于做电容的厂家肯定会关注膜未来的发展。但是产品到整车上往往是关注连接部位,比如我们要关注IGBT、要关注电控、要关注整车,这样我们从被动的器件才可以了解产品真正的使用环境。
  错误档案库。这是我们感觉比较自豪的,2009年公司组织去日本学习,给我印象最深刻的就是,我们都认为是很简单的东西,为什么丰田会引以为自豪呢?当时没想明白,现在想明白了,大方向一般不会出问题,问题一般就出现在细节上,所以我们整理了设计类错误档案、工艺类错误档案、试验类错误档案,每周拿出来和大家分享。
  事业部也有专门的仿真团队,工厂也有仿真团队,项目小组也有仿真团队。这是关于电流密度的设计,这是不同方阻温升情况的仿真。这里有电流密度、热分布、电感的设计。上面的是热应力的,还有外壳、结构优化。还有实验设计,这上面讲的是一部分,像工厂可能有专门的元器件测试,现在不仅关注元器件,还要把电控的台架优化。是不是产品过了相关的元器件测试一定符合整车测试呢?往往都不是的,所以我们现在要基于台架,有时候台架不一定仿真整车的情况,现场也有工程师跟进整车测试。这一块就是比亚迪变成一个系统,任何时候工程师都可以在平台上下一个订单,都有相关部门测试。
  关键性能参数。这一块比较抽象,后面有需要大家可以跟我联系。最早我们拿了一个最严酷的寿命公式得出了电动汽车的寿命,这仅仅是一个参考。到目前为止有8年的时间,样本量也不是很大,所以我们现在很关注电动汽车电容器寿命是什么样的,我们也在搜集大数据。比如车开了多久会有一个数据反馈,如果一旦有就会测试一下,和出厂数据对比,看看在曲线上的哪些位置。
  这是纹波电流、ESR的影响。设计本身都是可以设计的,想要ESR小可以做到,设计是讲究一个平衡,怎么样让这两个参数平衡得更好,像纹波电流和ESR影响的就是温度。如果想让它可制造性好,可以选一个较宽的膜,但是较宽的膜,ESR很大。如果换成一半ESR理论值就会变成1/4。如果ESR要求很小,本来可以2个芯子完成,可能用了8个芯子,可制造性就会很不好。可制造性影响的就是成本,越复杂的出问题的概率就比较多。设计本身讲究平衡,不应该说哪个参数好,我们需要的是综合参数最好,最能恰到好处。比如一个门保质期就是10年,锁的保质期就是10年半,到了10年半就一定会坏,这样的企业就是恰到好处的,我们正在致力于往那个方向发展。
  这是刚才讲的芯子怎么组合,一排还是两排,怎么放。这是铜排,铜排尤其是连接端发热影响特别严重,有些电流影响比较大的情况已经影响到芯子的寿命。如果这个时候芯子挨铜排比较近,明显差异比较大,很多时候电流很大,趋附效应影响很大。除了趋附效应,接触电阻影响也特别大。
  如果接触已经确定(因为IGBT已经定了),电容怎么做才能散热好一点,这样耐电流能力是不是更好一些?
  这是ESL的影响,怎么样让电感越小越好。还有一些母排的结构,怎么样在可制造性的情况下让电感越小?还有外形结构,希望控制器厂家在条件允许情况下,尽量居中设计,这样设计出来的产品性能就会更好。这是对电感的设计测试,因为电容是两面喷金的,我们这种电容本来就叫无感电容,有电感就是引出端导致的。还有引出电极的长短影响特别大。
  讲一下未来的规划。刚才和马总沟通了一下,现在电容器发展方向很多厂家关注蒸镀,比亚迪最早投资的就是蒸镀。最早比亚迪所有的东西并不是一定要做这个产品,往往要做的原因是归于品质。只有在优势很高的情况下才会说要投资这个项目。当年我们工厂最开始的时候,继电器样品出来了,对标产品选用的是松下产品。我说你转三个产品来,我测试一下。他转给我的产品一个1800块,我用了三个。当时我们买松下的继电器就是1800块一个,电容买的是AVX的,应该是600块,一个车用三个,这个器件加起来发现电动车价格会高得离谱,很难有市场。谁会花这么多钱全部在器械上,整车一分不盈利。所以公司开始做基础研究。
  比亚迪比较重视的就是基础。以膜为例,如果IGBT进步的话,耐温能力提升很多。全球用的基膜都是聚丙烯,目前汽车对系统的要求就是更小,保证耐温能力。首先耐温是一个迫在眉睫要解决的问题,耐温由105℃提高到125℃甚至更高。另外就是小体积能量密度高,怎么保证提高基膜的单位耐压能力,以前每微米额定250左右,然后能达到400,后面是不是能更高一些。
  这是我们的规划路线,今年我们在给很多国际一些材料厂家做过沟通。目前材料可能达到140℃。从比较厚的开始,达到12微米,膜变薄的发展会很快。十年前中国市场3微米以上的膜都很难,但是现在发展就很快,2.5、2.2都可以小批量生产。后面就是大能量密度。最终要归于智能化。
  这是最开始V2G用的通用产品,然后用电容、母排分开,后面集成一体,不只是可制造性还是各方面都会很好,成本降一半是很轻松的。会有很多功能,比如保险都会集中在电容产品中去。这是我们的规划,现在也在做,把电容跟功率模块集成一体,这样至少减少一部分电极长度,电感会很少,成本和体积方面都会有优势。另外就是和电控箱体集成,箱体本身散热性更好。

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