電動(dòng)汽車電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)及其發(fā)展

1、電動(dòng)汽車電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)及其發(fā)展目錄目錄1電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)技術(shù)及其發(fā)展趨勢(shì)2車用永磁電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)2驅(qū)動(dòng)電機(jī)及其控制器31.驅(qū)動(dòng)電機(jī)類型及其發(fā)展32.國(guó)外發(fā)展情況根據(jù)國(guó)外資料介紹33.我國(guó)發(fā)展現(xiàn)狀44.我國(guó)驅(qū)動(dòng)電機(jī)及其控制器存在的主要問(wèn)題45 電動(dòng)汽車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)的特點(diǎn)及分類56 電動(dòng)汽車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀67 發(fā)展趨勢(shì)6全球汽車動(dòng)力系統(tǒng)技術(shù)革命在哪里？從資源能源來(lái)分析，進(jìn)而考慮能量的載體，最后得出結(jié)論：汽車動(dòng)力的電氣化是一個(gè)必然的趨勢(shì)。全球汽車動(dòng)力系統(tǒng)技術(shù)革命如圖1所示。  電動(dòng)汽車的種類電動(dòng)汽車基本上分為三類，第一類是完全由蓄電池推進(jìn)的純電動(dòng)汽車；第二類是混合動(dòng)力

2、電動(dòng)汽車，它的動(dòng)力來(lái)自兩個(gè)途徑，一個(gè)途徑是由發(fā)動(dòng)機(jī)提供的，另外一個(gè)途徑是由電動(dòng)機(jī)提供的；第三類是燃料電池電動(dòng)汽車，它在驅(qū)動(dòng)方面是電能驅(qū)動(dòng)，但是能量的載體是燃料電池H2。 電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)技術(shù)及其發(fā)展趨勢(shì) 典型的電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，由電池供電給逆變器，通常會(huì)有一個(gè)變速箱來(lái)帶動(dòng)整個(gè)車輛。這個(gè)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(dòng)機(jī)的變化不是很多。與工業(yè)應(yīng)用相比，汽車應(yīng)用是個(gè)不同的概念。工業(yè)應(yīng)用空間不受限制，用標(biāo)準(zhǔn)封裝模式來(lái)應(yīng)用還是可行的，但是對(duì)于汽車應(yīng)用來(lái)講，空間是有限的，每一套系統(tǒng)都根據(jù)特定車型來(lái)訂制，尤其混合動(dòng)力汽車體現(xiàn)非常明顯。在可靠性方面，工業(yè)應(yīng)用可靠性很高，但是

3、不管從哪方面講，工業(yè)應(yīng)用的等級(jí)還是不如汽車應(yīng)用，因?yàn)樗麄兊哪康氖遣煌摹Ｔ诠I(yè)應(yīng)用中，主要是保證應(yīng)用效率的可靠性，但是在汽車應(yīng)用中，電動(dòng)機(jī)應(yīng)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(yīng)用是風(fēng)冷，汽車應(yīng)用是水冷?？刂菩阅芊矫婀I(yè)應(yīng)用多為變頻調(diào)速控制，其動(dòng)態(tài)性能差，而汽車應(yīng)用里，需要精確的力矩控制，動(dòng)態(tài)性能好。目前車用電驅(qū)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)主要有永磁化、數(shù)字化和集成化。永磁磁阻電動(dòng)機(jī)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(dòng)系統(tǒng)的核心。電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)集成有兩種方式，一種是電動(dòng)機(jī)跟發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)合，一種是電動(dòng)機(jī)跟變速箱結(jié)合。還有一種趨勢(shì)是做電力電子的集成，現(xiàn)在驅(qū)動(dòng)控制器產(chǎn)品中，國(guó)

4、際最高水平是17.2 kW。采用混合電力電子集成技術(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(dāng)前中國(guó)新能源汽車中用驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制技術(shù) 擁有TMS320L F2407和TMS320L F2812兩個(gè)控制硬件平臺(tái)。軟件平臺(tái)采用數(shù)字化矢量制技術(shù)， 具有如下特點(diǎn)：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)

5、 ；轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度<0.3 ms。具有上電自檢功能，能夠進(jìn)行弱電系統(tǒng)和IGBT強(qiáng)電系統(tǒng)的檢測(cè)，并記錄故障信息。具有參數(shù)在線整定功能，可以通過(guò)上位機(jī)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(hù)功能、超速保護(hù)、過(guò)溫保護(hù)、堵轉(zhuǎn)保護(hù)和過(guò)載保護(hù)等，能夠根據(jù)采樣智能判斷工作狀態(tài)，分辯干擾信號(hào)與真實(shí)保護(hù)信號(hào)。能夠自動(dòng)判斷采樣的精度，根據(jù)誤差動(dòng)態(tài)的進(jìn)行誤差修正。具有故障診斷功能，并通過(guò)總線反饋到上位機(jī)。在高速弱磁控制方面， 可以達(dá)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(chǎng)合的異步、永磁電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)寬恒功率區(qū)的調(diào)速，實(shí)現(xiàn)精確的功

6、率控制，恒功率±5%Pn(Pn是產(chǎn)品額定功率) 。 動(dòng)態(tài)性能好， 調(diào)節(jié)速度快，能夠在0.5 ms內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定?？煞€(wěn)定控制最高頻率達(dá)1500 Hz。高速位置角動(dòng)態(tài)修正，角度誤差<5 deg?；陔p機(jī)械端口電機(jī)的電力無(wú)級(jí)調(diào)速系統(tǒng)利用雙機(jī)械端口電機(jī)的兩個(gè)機(jī)械自由度和兩個(gè)電端口的控制，實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，實(shí)現(xiàn)內(nèi)燃機(jī)工況的最優(yōu)化，是具有原始創(chuàng)新的技術(shù)，打破國(guó)外技術(shù)壟斷。初步解決了電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)與控制，內(nèi)轉(zhuǎn)子冷卻，內(nèi)外電動(dòng)機(jī)解耦等核心問(wèn)題。EVT混合動(dòng)力汽車動(dòng)力性能測(cè)試結(jié)果如表所示。驅(qū)動(dòng)電機(jī)及其控制器1.驅(qū)動(dòng)電機(jī)類型及其發(fā)展驅(qū)動(dòng)電機(jī)是電動(dòng)汽車的關(guān)鍵部件，直接影響整車的動(dòng)力

7、性及經(jīng)濟(jì)性。驅(qū)動(dòng)電機(jī)主要包括直流電機(jī)和交流電機(jī)。目前電動(dòng)汽車廣泛使用交流電機(jī)，主要包括：異步電機(jī)、開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)和永磁電機(jī)（包括無(wú)刷直流電機(jī)和永磁同步電機(jī)）。各類型電機(jī)主要特點(diǎn)見(jiàn)表1。車用電機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)如下：(1)電機(jī)本體永磁化：永磁電機(jī)具有高轉(zhuǎn)矩密度、高功率密度、高效率、高可靠性等優(yōu)點(diǎn)。我國(guó)具有世界最為豐富的稀土資源，因此高性能永磁電機(jī)是我國(guó)車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)的重要發(fā)展方向。(2)電機(jī)控制數(shù)字化：專用芯片及數(shù)字信號(hào)處理器的出現(xiàn)，促進(jìn)了電機(jī)控制器的數(shù)字化，提高了電機(jī)系統(tǒng)的控制精度，有效減小了系統(tǒng)體積。(3)電機(jī)系統(tǒng)集成化：通過(guò)機(jī)電集成（電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)集成或電機(jī)與變速箱集成）和控制器集成，有利于減小驅(qū)動(dòng)系

8、統(tǒng)的重量和體積，可有效降低系統(tǒng)制造成本。2.國(guó)外發(fā)展情況根據(jù)國(guó)外資料介紹近年來(lái)美、歐開(kāi)發(fā)的電動(dòng)客車多采用交流異步電機(jī)，國(guó)外典型產(chǎn)品技術(shù)參數(shù)請(qǐng)見(jiàn)表2。為了降低車重，電機(jī)殼體大多采用鑄鋁材料，電機(jī)恒功率范圍較寬，最高轉(zhuǎn)速可達(dá)基速的22.5倍。日本近年來(lái)問(wèn)世的電動(dòng)汽車大多采用永磁同步電機(jī)。產(chǎn)品功率等級(jí)覆蓋3123kW，電機(jī)恒功率范圍很寬，最高轉(zhuǎn)速可達(dá)基速的5倍。日本近幾年開(kāi)發(fā)的電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)概況見(jiàn)表3。3.我國(guó)發(fā)展現(xiàn)狀(1)交流異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)我國(guó)已建立了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，形成了小批量生產(chǎn)的開(kāi)發(fā)、制造、試驗(yàn)及服務(wù)體系；產(chǎn)品性能基本滿足整車需求，大功率異步電機(jī)系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用

9、于各類電動(dòng)客車；通過(guò)示范運(yùn)行和小規(guī)模市場(chǎng)化應(yīng)用，產(chǎn)品可靠性得到了初步驗(yàn)證。(2)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)已形成優(yōu)化設(shè)計(jì)和自主研發(fā)能力，通過(guò)合理設(shè)計(jì)電機(jī)結(jié)構(gòu)、改進(jìn)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(yùn)行，效果良好。(3)無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)國(guó)內(nèi)企業(yè)通過(guò)合理設(shè)計(jì)及改進(jìn)控制技術(shù)，有效提高了無(wú)刷直流電機(jī)產(chǎn)品性能，基本滿足電動(dòng)汽車需求；已初步具有機(jī)電一體化設(shè)計(jì)能力。(4)永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)已形成了一定的研發(fā)和生產(chǎn)能力，開(kāi)發(fā)了不同系列產(chǎn)品，可應(yīng)用于各類電動(dòng)汽車；產(chǎn)品部分技術(shù)指標(biāo)接近國(guó)際先進(jìn)水平，但總體水平與國(guó)外仍有一定差

10、距；基本具備永磁同步電機(jī)集成化設(shè)計(jì)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(dòng)電機(jī)系統(tǒng)專用生產(chǎn)線。(5)永磁電機(jī)材料永磁電機(jī)的主要材料有釹鐵硼磁鋼、硅鋼等。部分公司掌握了電機(jī)轉(zhuǎn)子磁體先裝配后充磁的整體充磁技術(shù)。國(guó)內(nèi)研制的釹鐵硼永磁體最高工作溫度可達(dá)280，但技術(shù)水平仍與德國(guó)和日本有較大差距。硅鋼是制造電機(jī)鐵芯的重要磁性材料，其成本占電機(jī)本體的20%左右，其厚度對(duì)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(jī)，我國(guó)僅開(kāi)發(fā)出0.35mm硅鋼片。 (6)電機(jī)控制器關(guān)鍵部件電機(jī)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(jìn)口產(chǎn)品，我國(guó)部分公司已具備旋轉(zhuǎn)變壓器的研發(fā)生

11、產(chǎn)能力，但產(chǎn)品精度、可靠性與國(guó)外仍有差距。IGBT基本依賴進(jìn)口，價(jià)格昂貴，國(guó)產(chǎn)車用IGBT尚處于研究階段。4.我國(guó)驅(qū)動(dòng)電機(jī)及其控制器存在的主要問(wèn)題(1)電機(jī)原材料、控制器核心部件研發(fā)能力較弱，依賴進(jìn)口，如硅鋼片、電機(jī)高速軸承、位置轉(zhuǎn)速傳感器、IGBT模塊等。進(jìn)口產(chǎn)品成本高，影響電機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)化。(2)我國(guó)車用電機(jī)的機(jī)電集成水平與國(guó)外差距較大。控制器集成度較低，體積、重量相對(duì)偏大。(3)我國(guó)車用電機(jī)系統(tǒng)尚處于起步階段，制造工藝水平落后，缺乏自動(dòng)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(guó)家出臺(tái)的電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)較少，且不完善。如：不同類型電機(jī)系統(tǒng)采用同一檢測(cè)

12、標(biāo)準(zhǔn)，缺乏可靠性、耐久性評(píng)價(jià)方法等。5 電動(dòng)汽車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)的特點(diǎn)及分類電動(dòng)汽車對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)的要求至少包括：（1）基速以下輸出大轉(zhuǎn)矩，以適應(yīng)車輛的啟動(dòng)、加速、負(fù)荷爬坡、頻繁起停等復(fù)雜工況；（2）基速以上為恒功率運(yùn)行，以適應(yīng)最高車速、超車等要求；（3）全轉(zhuǎn)速運(yùn)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(jiān)固、體積小、重量輕、良好的環(huán)境適應(yīng)性和高可靠性；（5）低成本及大批量生產(chǎn)能力。電動(dòng)汽車最早采用了直流電機(jī)系統(tǒng),特點(diǎn)是成本低、控制簡(jiǎn)單,但重量大,需要定期維護(hù)。隨電力電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展,包括異步電機(jī)及永磁電機(jī)在內(nèi)的交流電機(jī)系統(tǒng)體現(xiàn)出比直流電機(jī)系統(tǒng)更加優(yōu)越的性

13、能,目前已逐步取代了直流電機(jī)控制系統(tǒng)。特別是借助于設(shè)計(jì)方法、開(kāi)發(fā)工具及永磁材料的不斷進(jìn)步,用于驅(qū)動(dòng)的永磁同步電動(dòng)機(jī)得到了飛速發(fā)展。電動(dòng)汽車中常用的交流電機(jī)主要有異步、永磁、開(kāi)關(guān)磁阻三大類型，其特點(diǎn)如表1所示。表1 電機(jī)比較其中,異步電機(jī)主要應(yīng)用在純電動(dòng)汽車(包括轎車及客車),永磁同步電機(jī)主要應(yīng)用在混合動(dòng)力汽車(包括轎車及客車)中,開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)目前主要應(yīng)用在客車中。特別是,由于具有高效、高功率密度的特點(diǎn),目前在混合動(dòng)力轎車中采用的基本都是永磁同步電動(dòng)機(jī)。日本豐田公司的prius采用的永磁同步電動(dòng)機(jī)功率已達(dá)到了50kw,新配置的suv車型所用電機(jī)功率甚至達(dá)到了123kw。與普通工業(yè)用驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)及

14、通用變頻器不同，電動(dòng)汽車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)的特點(diǎn)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(yīng)性，如表2所示。表2 工業(yè)用與汽車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)的主要差別6 電動(dòng)汽車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀目前國(guó)內(nèi)的車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)已達(dá)到了小批量生產(chǎn)的水平，包括上述的各種類型電機(jī)以及風(fēng)冷、水冷等冷卻形式，涵蓋5kw180kw功率范圍。部分系統(tǒng)指標(biāo)（如比功率和系統(tǒng)效率）達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。系統(tǒng)中應(yīng)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(jìn)的數(shù)字處理器,can總線通訊模式等控制技術(shù),對(duì)參數(shù)辨識(shí),效率優(yōu)化,死區(qū)補(bǔ)償?shù)葘ｉT的問(wèn)題開(kāi)展了有針對(duì)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(jìn)行示范運(yùn)行。6.1 目前車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)尚需提高的地方（1） 全運(yùn)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(yàn)證,和汽車行業(yè)的嚴(yán)格要求還有一定差距;（3） 動(dòng)力總成裝置的集成度不高,機(jī)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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)的供應(yīng)商體系。雖然具備了小批量供貨的能力,但產(chǎn)品尚未通過(guò)ts16949質(zhì)量體系標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證。3.2 今后仍需要重點(diǎn)研究的內(nèi)容（1）系統(tǒng)的集成化；（2）高性能電機(jī)控制策略，電機(jī)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(yù)測(cè)與快速評(píng)估方法；（5）系統(tǒng)電磁兼容，環(huán)境適應(yīng)性研究及試驗(yàn)驗(yàn)證，電機(jī)系統(tǒng)成本控制等。7 發(fā)展趨勢(shì)（1）驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)必須滿足動(dòng)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)?；回S田公司的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)thsii及本田公司的ima系統(tǒng)的發(fā)展和進(jìn)步充分體現(xiàn)了這一點(diǎn)：thsii已擴(kuò)展到包括le