电动汽车发展迅猛
面对金融危机、油价高涨和日益严峻的节能减排压力，大力发展新能源汽车成为世界汽车工业竞争的一个新焦点。近两年，中国政府对新能源汽车的政策也接二连三，尤其是“十二五”规划将新能源汽车确立为七大战略性新兴产业之一，并计划2011年投入上千亿元大力发展新能源汽车产业，中国电动汽车产业进入蓬勃发展的春天。
作为战略性新兴产业，新能源汽车近期的发展势头迅猛。然而，相比汽车整车市场的巨大规模，我国新能源汽车产量在汽车总产量中的比例明显十分微小：2010年，我国新能源汽车的产量仅有7200辆，其中客车占了71.8%，而市场空间最大的私人用新能源汽车市场尚处在摸索阶段。电动汽车是汽车工业发展的重大新技术，国际上各大汽车集团都致力于发展这项综合技术并产业化。事实上，为尽快抢占新一轮汽车产业竞争的制高点，早在10年前，我国就已开始设立国家863计划“电动电动汽车电机驱动技术现状与发展汽车”重大科技专项，进行新能源汽车技术攻关。经过多年培育和发展，我国新能源汽车在技术研发、示范运行、产业化准备等方面都取得了长足进展。“十五”和“十一五”时期，围绕863计划“电动汽车”重大科技专项、“节能与新能源汽车”重大项目等，国家先后累计投入科技经费超过20亿元，带动国内上百家汽车企业、电机电池等零部件企业、大学及科研院所等共同参与，建立起以混合动力、纯电动、燃料电池等3类车型为“三纵”，电机、电池、整车电控为“三横”的“三纵三横”研发布局，并形成了一大批创新成果。
电动汽车电机驱动系统的特点及分类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。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、高速宽恒功率、高功率密度、高可靠性、系统高效、低速大转矩，低成本、低污染和良好的环境适应性，如表2所示，其稳态性能要求图1所示。电动汽车电机驱动技术研究现状电机驱动系统可谓是电动汽车的“心脏”。由于受到车辆空间限制和使用环境的约束，电动汽车用电机驱动系统不同于普通的电传动系统，它要求更高的性能、更高的体积/重量密度以及更高的可工作环境温度，用于普通电传动的电力电子与电机技术已经不能适应其要求。为此，国家863开展了“电动汽车电气系统研究开发项目”研究，旨在发展满足电动汽车需要的极限高效、高功率密度、高可靠性的电力电子与电机驱动技术。美国也推出了FCVT计划进行了相关技术的研究，其产品与中国863研究出的产品性能对比如表3所示。
电动汽车电机驱动技术发展趋势
电动汽车分为纯电动、混合动力和燃料电池三种类型，无论纯电动汽车、混合动力电动汽车还是燃料电池电动汽车，车用驱动电机系统既是关键技术又是共性技术。电动汽车用驱动电机的性能要求主要体现在低速大扭矩、调速范围宽、过载能力大、大功率小体积等方面；同时与普通工业用电机驱动系统相比，还具有工作环境恶劣、成本低等特点，因此车用驱动电机系统开发技术与生产技术难度更高。目前各国际汽车集团、跨国电气集团、科研院所都投入大量资金与人力开展电动汽车用驱动电机系统技术研发。电动汽车用电机驱动系统技术发展趋势基本可以归纳为着永磁化、数字化和集成化。
永磁电机具有效率高、比功率较大、功率因数高、可靠性高和便于维护的优点。采用矢量控制的变频调速系统，可使永磁电动机具有宽广的调速范围。因此，电机的永磁化成为电机驱动技术的重要发展方向之一。永磁电机是电动汽车尤其是轿车的主流技术，永磁磁阻式比表贴式更适合电动汽车应用。数字化也是未来电机驱动技术发展的必然趋势。数字化不仅包括驱动控制的数字化，驱动到数控系统接口的数字化，而且还应该包括测量单元数字化。随着微电子学及计算机技术的发展，高速、高集成度、低成本的微机专用芯片以及DSP等的问世及商品化，使得全数字的控制系统成为可能。用软件最大程度上地代替硬件，除完成要求的控制功能外，还可以具有保护、故障监控、自诊断等其他功能。全数字化是电动车控制乃至交流传动系统的重要发展方向之一。
电机驱动系统的集成化主要包括两个方面，一是指电机与发动机总成或电机与变速箱的集成，电机驱动技术向着集成化的方向发展有利于减小整个系统的重量和体积，并可以有效的降低系统的制造成本；二是电力电子集成，包括功能集成（包括多逆变+DCDC+电池管理+整车控制）、物理集成（功率模块、驱动电路、无源器件、控制电路、传感器、电源等）、应用Trench+FSIGBT等新器件，基于单片集成、混合集成和系统集成技术达到高度集成。电力电子技术的现状与趋势见图2、图3。沟槽栅与场终止技术的IGBT芯片，面积减小，单片可实现600V/200A，提高功率密度；600V/1200V的SiC二极管应用逐步商业化，其耐压为Si的10倍，导热性为Si的3倍，反向恢复损耗可减小66%；多芯片并联静态均流技术，低EMI回路；功率器件散热技术发展迅速，直接冷却和双面冷却技术进一步降低模块热阻；针对系统需求定义的IGBT模块定制设计，比如prius2010控制器的一个IGBT模块包括六个逆变半桥，1个boost半桥；电池组供电+逆变回路情况下，可选取容值较小，体积小，纹波电流较大，低感的膜电容；金属化聚丙烯膜场强可达到200V/um及以上，采用自我保护的喷涂电极技术；膜电容与叠层母排一体化组件技术成为发展趋势，可减少换流回路杂散电感50%；105度以上高温膜的商业化仍是世界难题，对集成热管理提出更高要求。根据系统需求，自上而下分解各部件详细设计输入，避免过设计，比如Prius2004采用850V/200AIGBT与FRD；通过仿真技术，优化功率主回路互连方案，实现电、磁、机和热性能综合最优，比如膜电容组建与IGBT互连应充分考虑寄生电感、动力端子温升、机械震动的影响；散热技术发展迅速，有效的降低定制型IGBT与定制膜电容组建等重要部件的温升，提高系统功率密度和寿命；电路板功能划分，紧凑可靠互连技术，减小线速，提高集成度；动力出线与电流传感器集成设计，提高集成度；壳体等机械部件压铸模设计，简化组装工艺，适应大规模生产。
存在的问题
目前，电动汽车用电机驱动系统还存在很多问题，需要整个行业共同去解决：问题1：世界范围内，现有车用电机驱动系统技术无法支撑电动汽车的大规模应用，IGBT器件和电机材料利用率有待提高。问题2：国内车用电机驱动系统的可靠性和耐久性较低，且缺乏可靠性和耐久性评价理论一句，无法通过设计和有限试验获知电动汽车电机驱动系统的寿命。电机驱动系统是典型的串联可靠性模型，现有国标（报批稿）制定的可靠性测试工控仍参照发动机考核，缺乏可靠性和耐久性评价理论依据。问题3：缺乏车用电机驱动系统MHz级高频准确模型及验证手段，整车EMC问题难以解决，是电动汽车推广应用的另一重要技术障碍。基于理想拓扑和理想开关器件的车用电驱系统模型不能分析验证整车的EMC/EMI问题，必须建立反映有源器件（IGBT/MOSFET）功率开关过程、无缘器件（母排、电容、电阻等）自身和互联杂散参数、驱动电机定转子、轴承耦合的高频等效电路模型，结合控制算法，构建全时域系统级车用电驱系统EMC模型，才能精确分析预测EMC问题。问题4：与提升材料利用率、建立可靠性和电池兼容模型等有关的一些基本模型缺乏，是车用电机驱动系统技术突破的理论障碍，例如电机高功率密度化后，磁场饱和和波形畸变严重，铁心材料的铁损耗与基于正弦、脉振和线性假设的理想模型预测值相差甚远，需要建立新型的铁损耗模型。
相关文章
[错误报告][推荐][收藏] [打印] [关闭] [返回顶部]
已有