电动汽车用驱动电机系统的现状及发展趋势

电动汽车用驱动电机系统的现状及发展趋势中国汽车技术研究中心窦汝振李磊宋建锋摘要：介绍了我国电动汽车用驱动电机系统的研发现状,以及车用系统与普通工业用系统间的差异,指出了发展趋势。1引言我国汽车工业的发展面临着来自能源安全、环境保护和气候变化等可持续发展要求的多重挑战。随着近几年汽车保有量的快速增加，汽车能源消耗增长呈现加速趋势，进一步加剧了我国石油供需矛盾。在当前石油资源日益紧张，价格不断攀升的国际形势下，发展电动汽车特别是混合动力汽车是缓解我国石油资源短缺现状的有效途径，也是增强我国汽车工业核心竞争力的重大战略举措。经过“八五”、“九五”规划的实施，特别是“十五”国家863电动汽车重大专项,我国已实现了官、产、学、研的资源整合,具有了电动汽车用驱动电机系统自主研发能力。在国家“三纵三横”总体布局中(如附图所示),驱动电机及其控制系统被列为“三横”中的共性技术之一。附图国家“十五”电动汽车重大专项布局示意2电动汽车用驱动电机系统的特点及分类电动汽车对驱动电机系统的要求至少包括：（1）基速以下输出大转矩，以适应车辆的启动、加速、负荷爬坡、频繁起停等复杂工况；（2）基速以上为恒功率运行，以适应最高车速、超车等要求；（3）全转速运行范围内的效率最优化，以提高车辆的续驶里程；（4）结构坚固、体积小、重量轻、良好的环境适应性和高可靠性；（5）低成本及大批量生产能力。电动汽车最早采用了直流电机系统,特点是成本低、控制简单,但重量大,需要定期维护。随电力电子技术、自动控制技术、计算机控制技术的发展,包括异步电机及永磁电机在内的交流电机系统体现出比直流电机系统更加优越的性能,目前已逐步取代了直流电机控制系统。特别是借助于设计方法、开发工具及永磁材料的不断进步,用于驱动的永磁同步电动机得到了飞速发展。电动汽车中常用的交流电机主要有异步、永磁、开关磁阻三大类型，其特点如表1所示。表1电机比较其中,异步电机主要应用在纯电动汽车(包括轿车及客车),永磁同步电机主要应用在混合动力汽车(包括轿车及客车)中,开关磁阻电机目前主要应用在客车中。特别是,由于具有高效、高功率密度的特点,目前在混合动力轿车中采用的基本都是永磁同步电动机。日本丰田公司的PRIUS采用的永磁同步电动机功率已达到了50kW,新配置的SUV车型所用电机功率甚至达到了123kW。与普通工业用驱动电机系统及通用变频器不同，电动汽车用驱动电机系统的特点是高性能、高功率密度、高可靠性，低成本、低污染和良好的环境适应性，如表2所示。表2工业用与汽车用驱动电机系统的主要差别3电动汽车用驱动电机系统的研究现状目前国内的车用驱动电机系统已达到了小批量生产的水平，包括上述的各种类型电机以及风冷、水冷等冷却形式，涵盖5kW～180kW功率范围。部分系统指标（如比功率和系统效率）达到了国际先进水平。系统中应用了矢量控制、直接转矩控制等控制方法,采用了IGBT等全控型电力电子器件,DSP等先进的数字处理器,CAN总线通讯模式等控制技术,对参数辨识,效率优化,死区补偿等专门的问题开展了有针对性的研究,取得了卓有成效的成果,有一大批车辆已在城市道路上进行示范运行。3.1目前车用驱动电机系统尚需提高的地方（1）全运行范围内的转矩、转速控制精度,效率最优化;（2）系统可靠性及耐久性尚未得到充分验证,和汽车行业的严格要求还有一定差距;（3）动力总成装置的集成度不高,机电一体化不够;（4）关键材料（如高性能硅钢片，绝缘材料）和关键元器件（如IGBT模块，CPU芯片）仍依靠进口，限制了选择余地和成本降低；（5）尚未形成完整的、满足汽车工业标准的供应商体系。虽然具备了小批量供货的能力,但产品尚未通过TS16949质量体系标准认证。3.2今后仍需要重点研究的内容（1）系统的集成化；（2）高性能电机控制策略，电机效率优化；（3）系统热管理；（4）系统失效模式分析，系统可靠性、耐久性预测与快速评估方法；（5）系统电磁兼容，环境适应性研究及试验验证，电机系统成本控制等。4发展趋势（1）驱动电机系统必须满足动力总成一体化的要求并支持整车产品的系列化和生产的规模化；丰田公司的驱动系统THSII及本田公司的IMA系统的发展和进步充分体现了这一点：THSII已扩展到包括LEXUS在内的多种车型，而IMA也已配置到包括CIVIC及雅阁在内的多种车型。（2）国内将出现独立的新型汽车电气驱动系统提供商，支持电动汽车及传统汽车产业；目前国外已有包括Solectria，Enova在内的电气公司，汽车用电气自动化的新型产业正在逐步形成。目前我国在电机（包括永磁材料）生产，人力成本等方面存在较大的优势，如果能够跟上当前的产业发展机遇，可以使得我国在世界市场上占有一席之地。（3）与元器件、电力电子器件供应商及现有的工业用变频器行业形成产业联盟有助于这个新型产业的发展壮大。