電動汽車電動機驅(qū)動技術(shù)及其發(fā)展

1、電動汽車電動機驅(qū)動技術(shù)及其發(fā)展目錄目錄1電動汽車驅(qū)動技術(shù)及其發(fā)展趨勢2車用永磁電動機驅(qū)動控制技術(shù)2驅(qū)動電機及其控制器31.驅(qū)動電機類型及其發(fā)展32.國外發(fā)展情況根據(jù)國外資料介紹33.我國發(fā)展現(xiàn)狀44.我國驅(qū)動電機及其控制器存在的主要問題45 電動汽車用驅(qū)動電機系統(tǒng)的特點及分類56 電動汽車用驅(qū)動電機系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀67 發(fā)展趨勢6全球汽車動力系統(tǒng)技術(shù)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(jié)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(shù)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；第二類是混合動力電動汽車，它的動力來自兩

2、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(qū)動方面是電能驅(qū)動，但是能量的載體是燃料電池H2。電動汽車驅(qū)動技術(shù)及其發(fā)展趨勢典型的電動汽車驅(qū)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(xiàn)在都發(fā)展成數(shù)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(jù)特定車型來訂制，尤其混合動力汽車體現(xiàn)非常明顯。在可靠性方面，工業(yè)應用可靠性很高，但是不管從哪方面講，工業(yè)應用的等級還是不如汽車應用，

3、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。控制性能方面工業(yè)應用多為變頻調(diào)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(qū)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢主要有永磁化、數(shù)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(shù)高。數(shù)字化是電驅(qū)驅(qū)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(jié)合，一種是電動機跟變速箱結(jié)合。還有一種趨勢是做電力電子的集成，現(xiàn)在驅(qū)動控制器產(chǎn)品中，國際最高水平是17.2 kW。采用混合電力電子集成

4、技術(shù)，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(shù)。當前中國新能源汽車中用驅(qū)動電動機和電控技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀可以這樣歸結(jié)：掌握了核心技術(shù)，但處于小批量生產(chǎn)。全世界真正做到大批量生產(chǎn)的只有豐田一家。車用永磁電動機驅(qū)動控制技術(shù)擁有TMS320L F2407和TMS320L F2812兩個控制硬件平臺。軟件平臺采用數(shù)字化矢量制技術(shù)，具有如下特點：具有多種控制模式，轉(zhuǎn)矩控制、轉(zhuǎn)速控制和功率控制；轉(zhuǎn)速控制精度恒轉(zhuǎn)速20 r/min，恒力矩控制精度5%T n(T n是產(chǎn)品額定力矩)；轉(zhuǎn)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(shù)在線整定

5、功能，可以通過上位機編程控制修改DSP中的控制參數(shù)，如采樣周期、P I參數(shù)等。具有軟件保護功能、超速保護、過溫保護、堵轉(zhuǎn)保護和過載保護等，能夠根據(jù)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(jù)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(diào)速范圍的調(diào)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(xiàn)寬恒功率區(qū)的調(diào)速，實現(xiàn)精確的功率控制，恒功率5%Pn(Pn是產(chǎn)品額定功率)。動態(tài)性能好，調(diào)節(jié)速度快，能夠在0.5 ms內(nèi)達到穩(wěn)定?？煞€(wěn)定控制最高頻率達1500 Hz。高速位置角動態(tài)修

6、正，角度誤差5 deg?；陔p機械端口電機的電力無級調(diào)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(xiàn)無級調(diào)速，實現(xiàn)內(nèi)燃機工況的最優(yōu)化，是具有原始創(chuàng)新的技術(shù)，打破國外技術(shù)壟斷。初步解決了電動機設計與控制，內(nèi)轉(zhuǎn)子冷卻，內(nèi)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(jié)果如表所示。驅(qū)動電機及其控制器1.驅(qū)動電機類型及其發(fā)展驅(qū)動電機是電動汽車的關(guān)鍵部件，直接影響整車的動力性及經(jīng)濟性。驅(qū)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(guān)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：(

7、1)電機本體永磁化：永磁電機具有高轉(zhuǎn)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(qū)動電機的重要發(fā)展方向。(2)電機控制數(shù)字化：專用芯片及數(shù)字信號處理器的出現(xiàn)，促進了電機控制器的數(shù)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(qū)動系統(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(jù)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(chǎn)品技術(shù)參數(shù)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，

8、最高轉(zhuǎn)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(chǎn)品功率等級覆蓋3123kW，電機恒功率范圍很寬，最高轉(zhuǎn)速可達基速的5倍。日本近幾年開發(fā)的電動汽車驅(qū)動電機概況見表3。3.我國發(fā)展現(xiàn)狀(1)交流異步電機驅(qū)動系統(tǒng)我國已建立了具有自主知識產(chǎn)權(quán)異步電機驅(qū)動系統(tǒng)的開發(fā)平臺，形成了小批量生產(chǎn)的開發(fā)、制造、試驗及服務體系；產(chǎn)品性能基本滿足整車需求，大功率異步電機系統(tǒng)已廣泛應用于各類電動客車；通過示范運行和小規(guī)模市場化應用，產(chǎn)品可靠性得到了初步驗證。(2)開關(guān)磁阻電機驅(qū)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(jié)構(gòu)、改進控制技術(shù)，產(chǎn)品性能基本滿足整車需求；部分公司已具備年

9、產(chǎn)2000套的生產(chǎn)能力，能滿足小批量配套需求，目前部分產(chǎn)品已配套整車示范運行，效果良好。(3)無刷直流電機驅(qū)動系統(tǒng)國內(nèi)企業(yè)通過合理設計及改進控制技術(shù)，有效提高了無刷直流電機產(chǎn)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(qū)動系統(tǒng)已形成了一定的研發(fā)和生產(chǎn)能力，開發(fā)了不同系列產(chǎn)品，可應用于各類電動汽車；產(chǎn)品部分技術(shù)指標接近國際先進水平，但總體水平與國外仍有一定差距；基本具備永磁同步電機集成化設計能力；多數(shù)公司仍處于小規(guī)模試制生產(chǎn)，少數(shù)公司已投資建立車用驅(qū)動電機系統(tǒng)專用生產(chǎn)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(zhuǎn)子磁體先裝配后

10、充磁的整體充磁技術(shù)。國內(nèi)研制的釹鐵硼永磁體最高工作溫度可達280，但技術(shù)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(chǎn)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(guān)鍵部件電機控制器用位置轉(zhuǎn)速傳感器多為旋轉(zhuǎn)變壓器，目前基本采用進口產(chǎn)品，我國部分公司已具備旋轉(zhuǎn)變壓器的研發(fā)生產(chǎn)能力，但產(chǎn)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(chǎn)車用IGBT尚處于研究階段。4.我國驅(qū)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

11、片、電機高速軸承、位置轉(zhuǎn)速傳感器、IGBT模塊等。進口產(chǎn)品成本高，影響電機系統(tǒng)產(chǎn)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(chǎn)線，造成產(chǎn)品可靠性、一致性差。產(chǎn)業(yè)化規(guī)模較小，成本較高。(4)現(xiàn)階段國家出臺的電動汽車驅(qū)動電機系統(tǒng)標準較少，且不完善。如：不同類型電機系統(tǒng)采用同一檢測標準，缺乏可靠性、耐久性評價方法等。5 電動汽車用驅(qū)動電機系統(tǒng)的特點及分類電動汽車對驅(qū)動電機系統(tǒng)的要求至少包括：（1）基速以下輸出大轉(zhuǎn)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

12、恒功率運行，以適應最高車速、超車等要求；（3）全轉(zhuǎn)速運行范圍內(nèi)的效率最優(yōu)化，以提高車輛的續(xù)駛里程；（4）結(jié)構(gòu)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(chǎn)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(shù)、自動控制技術(shù)、計算機控制技術(shù)的發(fā)展,包括異步電機及永磁電機在內(nèi)的交流電機系統(tǒng)體現(xiàn)出比直流電機系統(tǒng)更加優(yōu)越的性能,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(qū)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(guān)磁阻三大類型，其特點如表1所示。

13、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(guān)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(qū)動電機系統(tǒng)及通用變頻器不同，電動汽車用驅(qū)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(qū)動電機系統(tǒng)的主要差別6 電動汽車用驅(qū)動電機系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀目前國內(nèi)

14、的車用驅(qū)動電機系統(tǒng)已達到了小批量生產(chǎn)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(zhuǎn)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(shù)字處理器,can總線通訊模式等控制技術(shù),對參數(shù)辨識,效率優(yōu)化,死區(qū)補償?shù)葘ｉT的問題開展了有針對性的研究,取得了卓有成效的成果,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(qū)動電機系統(tǒng)尚需提高的地方（1） 全運行范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)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

15、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(guān)鍵材料（如高性能硅鋼片，絕緣材料）和關(guān)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(chǎn)品尚未通過ts16949質(zhì)量體系標準認證。3.2 今后仍需要重點研究的內(nèi)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(qū)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(chǎn)品的系列化和生產(chǎn)的規(guī)?；?；豐田公司的驅(qū)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(xiàn)了這一點：thsii已擴展到包括lexus在內(nèi)