電動汽車電動機驅動技術及其發(fā)展

1、電動汽車電動機驅動技術及其發(fā)展目錄目錄1電動汽車驅動技術及其發(fā)展趨勢2車用永磁電動機驅動控制技術2驅動電機及其控制器31.驅動電機類型及其發(fā)展32.國外發(fā)展情況根據國外資料介紹33.我國發(fā)展現狀44.我國驅動電機及其控制器存在的主要問題45 電動汽車用驅動電機系統(tǒng)的特點及分類56 電動汽車用驅動電機系統(tǒng)的研究現狀67 發(fā)展趨勢6全球汽車動力系統(tǒng)技術革命在哪里？從資源能源來分析，進而考慮能量的載體，最后得出結論：汽車動力的電氣化是一個必然的趨勢。全球汽車動力系統(tǒng)技術革命如圖1所示。  電動汽車的種類電動汽車基本上分為三類，第一類是完全由蓄電池推進的純電動汽車；第二類是混合動力

2、電動汽車，它的動力來自兩個途徑，一個途徑是由發(fā)動機提供的，另外一個途徑是由電動機提供的；第三類是燃料電池電動汽車，它在驅動方面是電能驅動，但是能量的載體是燃料電池H2。 電動汽車驅動技術及其發(fā)展趨勢 典型的電動汽車驅動系統(tǒng)，由電池供電給逆變器，通常會有一個變速箱來帶動整個車輛。這個控制系統(tǒng)帶有傳感器，控制器現在都發(fā)展成數字化，電動機的變化不是很多。與工業(yè)應用相比，汽車應用是個不同的概念。工業(yè)應用空間不受限制，用標準封裝模式來應用還是可行的，但是對于汽車應用來講，空間是有限的，每一套系統(tǒng)都根據特定車型來訂制，尤其混合動力汽車體現非常明顯。在可靠性方面，工業(yè)應用可靠性很高，但是

3、不管從哪方面講，工業(yè)應用的等級還是不如汽車應用，因為他們的目的是不同的。在工業(yè)應用中，主要是保證應用效率的可靠性，但是在汽車應用中，電動機應用系統(tǒng)的可靠性涉及到乘車者的安全，所以可靠性要求非常高。冷卻方式上工業(yè)應用是風冷，汽車應用是水冷?？刂菩阅芊矫婀I(yè)應用多為變頻調速控制，其動態(tài)性能差，而汽車應用里，需要精確的力矩控制，動態(tài)性能好。目前車用電驅系統(tǒng)的發(fā)展趨勢主要有永磁化、數字化和集成化。永磁磁阻電動機效率高，比功率較大，功率因數高。數字化是電驅驅動系統(tǒng)的核心。電動機系統(tǒng)集成有兩種方式，一種是電動機跟發(fā)動機結合，一種是電動機跟變速箱結合。還有一種趨勢是做電力電子的集成，現在驅動控制器產品中，國

4、際最高水平是17.2 kW。采用混合電力電子集成技術，核心是采用高功能集成模塊，采用新型薄膜電容一體化的技術。當前中國新能源汽車中用驅動電動機和電控技術發(fā)展的現狀可以這樣歸結：掌握了核心技術，但處于小批量生產。全世界真正做到大批量生產的只有豐田一家。 車用永磁電動機驅動控制技術 擁有TMS320L F2407和TMS320L F2812兩個控制硬件平臺。軟件平臺采用數字化矢量制技術， 具有如下特點：具有多種控制模式，轉矩控制、轉速控制和功率控制； 轉速控制精度恒轉速±20 r/min，恒力矩控制精度±5%T n(T n是產品額定力矩)

5、 ；轉矩響應速度<0.3 ms。具有上電自檢功能，能夠進行弱電系統(tǒng)和IGBT強電系統(tǒng)的檢測，并記錄故障信息。具有參數在線整定功能，可以通過上位機編程控制修改DSP中的控制參數，如采樣周期、P I參數等。具有軟件保護功能、超速保護、過溫保護、堵轉保護和過載保護等，能夠根據采樣智能判斷工作狀態(tài)，分辯干擾信號與真實保護信號。能夠自動判斷采樣的精度，根據誤差動態(tài)的進行誤差修正。具有故障診斷功能，并通過總線反饋到上位機。在高速弱磁控制方面， 可以達到1:10的恒功率區(qū)，適合于寬調速范圍的調速系統(tǒng)。具體性能如下。適用于多種場合的異步、永磁電動機，實現寬恒功率區(qū)的調速，實現精確的功

6、率控制，恒功率±5%Pn(Pn是產品額定功率) 。 動態(tài)性能好， 調節(jié)速度快，能夠在0.5 ms內達到穩(wěn)定。可穩(wěn)定控制最高頻率達1500 Hz。高速位置角動態(tài)修正，角度誤差<5 deg?；陔p機械端口電機的電力無級調速系統(tǒng)利用雙機械端口電機的兩個機械自由度和兩個電端口的控制，實現無級調速，實現內燃機工況的最優(yōu)化，是具有原始創(chuàng)新的技術，打破國外技術壟斷。初步解決了電動機設計與控制，內轉子冷卻，內外電動機解耦等核心問題。EVT混合動力汽車動力性能測試結果如表所示。驅動電機及其控制器1.驅動電機類型及其發(fā)展驅動電機是電動汽車的關鍵部件，直接影響整車的動力

7、性及經濟性。驅動電機主要包括直流電機和交流電機。目前電動汽車廣泛使用交流電機，主要包括：異步電機、開關磁阻電機和永磁電機（包括無刷直流電機和永磁同步電機）。各類型電機主要特點見表1。車用電機的發(fā)展趨勢如下：(1)電機本體永磁化：永磁電機具有高轉矩密度、高功率密度、高效率、高可靠性等優(yōu)點。我國具有世界最為豐富的稀土資源，因此高性能永磁電機是我國車用驅動電機的重要發(fā)展方向。(2)電機控制數字化：專用芯片及數字信號處理器的出現，促進了電機控制器的數字化，提高了電機系統(tǒng)的控制精度，有效減小了系統(tǒng)體積。(3)電機系統(tǒng)集成化：通過機電集成（電機與發(fā)動機集成或電機與變速箱集成）和控制器集成，有利于減小驅動系

8、統(tǒng)的重量和體積，可有效降低系統(tǒng)制造成本。2.國外發(fā)展情況根據國外資料介紹近年來美、歐開發(fā)的電動客車多采用交流異步電機，國外典型產品技術參數請見表2。為了降低車重，電機殼體大多采用鑄鋁材料，電機恒功率范圍較寬，最高轉速可達基速的22.5倍。日本近年來問世的電動汽車大多采用永磁同步電機。產品功率等級覆蓋3123kW，電機恒功率范圍很寬，最高轉速可達基速的5倍。日本近幾年開發(fā)的電動汽車驅動電機概況見表3。3.我國發(fā)展現狀(1)交流異步電機驅動系統(tǒng)我國已建立了具有自主知識產權異步電機驅動系統(tǒng)的開發(fā)平臺，形成了小批量生產的開發(fā)、制造、試驗及服務體系；產品性能基本滿足整車需求，大功率異步電機系統(tǒng)已廣泛應用

9、于各類電動客車；通過示范運行和小規(guī)模市場化應用，產品可靠性得到了初步驗證。(2)開關磁阻電機驅動系統(tǒng)已形成優(yōu)化設計和自主研發(fā)能力，通過合理設計電機結構、改進控制技術，產品性能基本滿足整車需求；部分公司已具備年產2000套的生產能力，能滿足小批量配套需求，目前部分產品已配套整車示范運行，效果良好。(3)無刷直流電機驅動系統(tǒng)國內企業(yè)通過合理設計及改進控制技術，有效提高了無刷直流電機產品性能，基本滿足電動汽車需求；已初步具有機電一體化設計能力。(4)永磁同步電機驅動系統(tǒng)已形成了一定的研發(fā)和生產能力，開發(fā)了不同系列產品，可應用于各類電動汽車；產品部分技術指標接近國際先進水平，但總體水平與國外仍有一定差

10、距；基本具備永磁同步電機集成化設計能力；多數公司仍處于小規(guī)模試制生產，少數公司已投資建立車用驅動電機系統(tǒng)專用生產線。(5)永磁電機材料永磁電機的主要材料有釹鐵硼磁鋼、硅鋼等。部分公司掌握了電機轉子磁體先裝配后充磁的整體充磁技術。國內研制的釹鐵硼永磁體最高工作溫度可達280，但技術水平仍與德國和日本有較大差距。硅鋼是制造電機鐵芯的重要磁性材料，其成本占電機本體的20%左右，其厚度對鐵耗有較大影響，日本已生產出0.27mm硅鋼片用于車用電機，我國僅開發(fā)出0.35mm硅鋼片。 (6)電機控制器關鍵部件電機控制器用位置轉速傳感器多為旋轉變壓器，目前基本采用進口產品，我國部分公司已具備旋轉變壓器的研發(fā)生

11、產能力，但產品精度、可靠性與國外仍有差距。IGBT基本依賴進口，價格昂貴，國產車用IGBT尚處于研究階段。4.我國驅動電機及其控制器存在的主要問題(1)電機原材料、控制器核心部件研發(fā)能力較弱，依賴進口，如硅鋼片、電機高速軸承、位置轉速傳感器、IGBT模塊等。進口產品成本高，影響電機系統(tǒng)產業(yè)化。(2)我國車用電機的機電集成水平與國外差距較大?？刂破骷啥容^低，體積、重量相對偏大。(3)我國車用電機系統(tǒng)尚處于起步階段，制造工藝水平落后，缺乏自動化生產線，造成產品可靠性、一致性差。產業(yè)化規(guī)模較小，成本較高。(4)現階段國家出臺的電動汽車驅動電機系統(tǒng)標準較少，且不完善。如：不同類型電機系統(tǒng)采用同一檢測

12、標準，缺乏可靠性、耐久性評價方法等。5 電動汽車用驅動電機系統(tǒng)的特點及分類電動汽車對驅動電機系統(tǒng)的要求至少包括：（1）基速以下輸出大轉矩，以適應車輛的啟動、加速、負荷爬坡、頻繁起停等復雜工況；（2）基速以上為恒功率運行，以適應最高車速、超車等要求；（3）全轉速運行范圍內的效率最優(yōu)化，以提高車輛的續(xù)駛里程；（4）結構堅固、體積小、重量輕、良好的環(huán)境適應性和高可靠性；（5）低成本及大批量生產能力。電動汽車最早采用了直流電機系統(tǒng),特點是成本低、控制簡單,但重量大,需要定期維護。隨電力電子技術、自動控制技術、計算機控制技術的發(fā)展,包括異步電機及永磁電機在內的交流電機系統(tǒng)體現出比直流電機系統(tǒng)更加優(yōu)越的性

13、能,目前已逐步取代了直流電機控制系統(tǒng)。特別是借助于設計方法、開發(fā)工具及永磁材料的不斷進步,用于驅動的永磁同步電動機得到了飛速發(fā)展。電動汽車中常用的交流電機主要有異步、永磁、開關磁阻三大類型，其特點如表1所示。表1 電機比較其中,異步電機主要應用在純電動汽車(包括轎車及客車),永磁同步電機主要應用在混合動力汽車(包括轎車及客車)中,開關磁阻電機目前主要應用在客車中。特別是,由于具有高效、高功率密度的特點,目前在混合動力轎車中采用的基本都是永磁同步電動機。日本豐田公司的prius采用的永磁同步電動機功率已達到了50kw,新配置的suv車型所用電機功率甚至達到了123kw。與普通工業(yè)用驅動電機系統(tǒng)及

14、通用變頻器不同，電動汽車用驅動電機系統(tǒng)的特點是高性能、高功率密度、高可靠性，低成本、低污染和良好的環(huán)境適應性，如表2所示。表2 工業(yè)用與汽車用驅動電機系統(tǒng)的主要差別6 電動汽車用驅動電機系統(tǒng)的研究現狀目前國內的車用驅動電機系統(tǒng)已達到了小批量生產的水平，包括上述的各種類型電機以及風冷、水冷等冷卻形式，涵蓋5kw180kw功率范圍。部分系統(tǒng)指標（如比功率和系統(tǒng)效率）達到了國際先進水平。系統(tǒng)中應用了矢量控制、直接轉矩控制等控制方法,采用了igbt等全控型電力電子器件,dsp等先進的數字處理器,can總線通訊模式等控制技術,對參數辨識,效率優(yōu)化,死區(qū)補償等專門的問題開展了有針對性的研究,取得了卓有成效

15、的成果,有一大批車輛已在城市道路上進行示范運行。6.1 目前車用驅動電機系統(tǒng)尚需提高的地方（1） 全運行范圍內的轉矩、轉速控制精度,效率最優(yōu)化;（2） 系統(tǒng)可靠性及耐久性尚未得到充分驗證,和汽車行業(yè)的嚴格要求還有一定差距;（3） 動力總成裝置的集成度不高,機電一體化不夠;（4） 關鍵材料（如高性能硅鋼片，絕緣材料）和關鍵元器件（如igbt模塊，cpu芯片）仍依靠進口，限制了選擇余地和成本降低；（5） 尚未形成完整的、滿足汽車工業(yè)標準的供應商體系。雖然具備了小批量供貨的能力,但產品尚未通過ts16949質量體系標準認證。3.2 今后仍需要重點研究的內容（1）系統(tǒng)的集成化；（2）高性能電機控制策略，電機效率優(yōu)化；（3）系統(tǒng)熱管理；（4）系統(tǒng)失效模式分析，系統(tǒng)可靠性、耐久性預測與快速評估方法；（5）系統(tǒng)電磁兼容，環(huán)境適應性研究及試驗驗證，電機系統(tǒng)成本控制等。7 發(fā)展趨勢（1）驅動電機系統(tǒng)必須滿足動力總成一體化的要求并支持整車產品的系列化和生產的規(guī)?；?；豐田公司的驅動系統(tǒng)thsii及本田公司的ima系統(tǒng)的發(fā)展和進步充分體現了這一點：thsii已擴展到包括le