电动汽车电动机驱动技术及其发展

1、1电动汽车电动机驱动技术及其发展目录目录 1电动汽车驱动技术及其发展趋势 2车用永磁电动机驱动控制技术 2驱动电机及其控制器 31. 驱动电机类型及其发展 32. 国外发展情况根据国外资料介绍 33. 我国发展现状 44. 我国驱动电机及其控制器存在的主要问题 45电动汽车用驱动电机系统的特点及分类 46电动汽车用驱动电机系统的研究现状 67发展趋势 6进而考虑能量的载体，最后得全球汽车动力系统技术革命在哪里？从资源能源来分析,出结论：汽车动力的电气化是一个必然的趋势。全球汽车动力系统技术革命如图1所示。电动汽车的种类电动汽车基本上分为三类，第一类是完全由蓄电池推进的纯电动汽车;第二类是混合动

2、力电动汽车， 它的动力来自两个途径， 一个途径是由发动机提供的， 另外一 个途径是由电动机提供的； 第三类是燃料电池电动汽车， 它在驱动方面是电能驱动， 但是能 量的载体是燃料电池耳。电动汽车驱动技术及其发展趋势典型的电动汽车驱动系统， 由电池供电给逆变器，通常会有一个变速箱来带动整个车辆。 这个控制系统带有传感器，控制器现在都发展成数字化，电动机的变化不是很多。与工业应用相比，汽车应用是个不同的概念。工业应用空间不受限制， 用标准封装模式来应用还是可行的， 但是对于汽车应用来讲，空间是有限的，每一套系统都根据特定车型来订制，尤其混合动力汽车体现非常明显。在可靠性方面，工业应用可靠性很高，但是

3、不管从哪方面讲，工业应用的等级还是不如汽车应用，因为他们的目的是不同的。在工业应用中， 主要是保证应用效率的可靠性，但是在汽车应用中，电动机应用系统的可靠性涉及到乘车者的安全，所以可靠性要求非常高。冷却方式上工业应用是风冷，汽车应用是水冷。控制性能方面工业应用多为变频调速控制，其动态性能差，而汽车应用里，需要精确的力矩控制，动态性能好。目前车用电驱系统的发展趋势主要有永磁化、数字化和集成化。永磁磁阻电动机效率高，比功率较大，功率因数高。数字化是电驱驱动系统的核心。电动机系统集成有两种方式， 一种是电动机跟发动机结合， 一种是电动机跟变速箱结合。 还有一种趋势是做电力电子的集成，现在驱动控制器产

4、品中，国际最高水平是17.2 kW采用混合电力电子集成技术，核心是采用高功能集成模块，采用新型薄膜电容一体化的技术。当前中国新能源汽车中用驱动电动机和电控技术发展的现状可以这样归结：掌握了核心技术，但处于小批量生产。全世界真正做到大批量生产的只有丰田一家。车用永磁电动机驱动控制技术拥有TMS320LF2407和TMS320LF2812两个控制硬件平台。软件平台采用数字化矢量制技术，具有如下特点：具有多种控制模式，转矩控制、转速控制和功率控制；转速控制精度恒转速w± 20 r/min，恒力矩控制精度土 5%T n（T n 是产品额定力矩）；转矩响应速度 <0.3 ms。具有上电自

5、检功能，能够进行弱电系统和IGBT强电系统的检测，并记录故障信息。具有参数在线整定功能，可以通过上位机编程控制修改DSP中的控制参数，如采样周期、PI参数等。具有软件保护功能、超速保护、过温保护、堵转保护和过载保护等，能 够根据采样智能判断工作状态，分辩干扰信号与真实保护信号。能够自动判断采样的精度， 根据误差动态的进行误差修正。具有故障诊断功能，并通过总线反馈到上位机。在高速弱磁控制方面，可以达到1:10的恒功率区，适合于宽调速范围的调速系统。具体性能如下。适用于多种场合的异步、永磁电动机，实现宽恒功率区的调速，实现精确的 功率控制，恒功率三± 5%Pn（Pn是产品额定功率）。 动

6、态性能好， 调节速度快，能够在 0.5 ms内达到稳定。可稳定控制最高频率达 1500 Hz。高速位置角动态修正，角度误差 <5 deg。基于双机械端口电机的电力无级调速系统利用双机械端口电机的两个机械自由度和两个电端口的控制，实现无级调速，实现内燃机工况的最优化，是具有原始创新的技术，打破国外技术垄断。初步解决了电动机设计与控制，内转子冷却，内外电动机解耦等核心问题。EVT混合动力汽车动力性能测试结果如表所示。乘EVTJS合动力汽车动力性能测述嬪杲幣车动力性M试2,99堆高车速122.5驱动电机及其控制器1. 驱动电机类型及其发展驱动电机是电动汽车的关键部件，直接影响整车的动力性及经济

7、性。 驱动电 机主要包括直流电机和交流电机。目前电动汽车广泛使用交流电机，主要包括： 异步电机、开关磁阻电机和永磁电机（包括无刷直流电机和永磁同步电机）。各 类型电机主要特点见表1。车用电机的发展趋势如下：（1）电机本体永磁化：永磁电机具有高转矩密度、 高功率密度、高效率、高可靠性等优点。我国具有世界最为丰富的稀土资源，因 此高性能永磁电机是我国车用驱动电机的重要发展方向。（2）电机控制数字化：专用芯片及数字信号处理器的出现，促进了电机控制 器的数字化，提高了电机系统的控制精度，有效减小了系统体积。（3）电机系统集成化：通过机电集成（电机与发动机集成或电机与变速箱集 成）和控制器集成，有利于减

8、小驱动系统的重量和体积， 可有效降低系统制造成 本。2. 国外发展情况根据国外资料介绍近年来美、欧开发的电动客车多采用交流异步电机， 国外典型产品技术参数 请见表2。为了降低车重，电机壳体大多采用铸铝材料，电机恒功率范围较宽， 最高转速可达基速的22.5倍。日本近年来问世的电动汽车大多采用永磁同步电机。产品功率等级覆盖3123kW电机恒功率范围很宽，最高转速可达基速的 5倍。日本近几年开发的电 动汽车驱动电机概况见表3。3. 我国发展现状(1) 交流异步电机驱动系统我国已建立了具有自主知识产权异步电机驱动系统的开发平台，形成了小批量生产的开发、制造、试验及服务体系；产品性能基 本满足整车需求，

9、大功率异步电机系统已广泛应用于各类电动客车；通过示范运行和小规模市场化应用，产品可靠性得到了初步验证。(2) 开关磁阻电机驱动系统已形成优化设计和自主研发能力，通过合理设计 电机结构、改进控制技术，产品性能基本满足整车需求；部分公司已具备年产 2000套的生产能力，能满足小批量配套需求，目前部分产品已配套整车示范运 行，效果良好。(3) 无刷直流电机驱动系统国内企业通过合理设计及改进控制技术，有效提高了无刷直流电机产品性能，基本满足电动汽车需求；已初步具有机电一体化设 计能力。永磁同步电机驱动系统已形成了一定的研发和生产能力，开发了不同系 列产品，可应用于各类电动汽车；产品部分技术指标接近国际

10、先进水平， 但总体 水平与国外仍有一定差距；基本具备永磁同步电机集成化设计能力；多数公司仍 处于小规模试制生产，少数公司已投资建立车用驱动电机系统专用生产线。(5) 永磁电机材料永磁电机的主要材料有钕铁硼磁钢、硅钢等。部分公司掌握了电机转子磁体先装配后充磁的整体充磁技术。国内研制的钕铁硼永磁体最高工作温度可达280C，但技术水平仍与德国和日本有较大差距。硅钢是制造电机铁芯的重要磁性材料，其成本占电机本体的20流右，其厚度对铁耗有较大影响，日本已生产出 0.27mm硅钢片用于车用电机，我国仅开发 出0.35mm硅钢片。(6) 电机控制器关键部件电机控制器用位置/转速传感器多为旋转变压器，目前基本

11、采用进口产品，我国部分公司已具备旋转变压器的研发生产能力， 但产 品精度、可靠性与国外仍有差距。IGBT基本依赖进口，价格昂贵，国产车用IGBT 尚处于研究阶段。4. 我国驱动电机及其控制器存在的主要问题(1) 电机原材料、控制器核心部件研发能力较弱，依赖进口，如硅钢片、电 机高速轴承、位置/转速传感器、IGBT模块等。进口产品成本高，影响电机系 统产业化。我国车用电机的机电集成水平与国外差距较大。控制器集成度较低，体 积、重量相对偏大。(3) 我国车用电机系统尚处于起步阶段，制造工艺水平落后，缺乏自动化生 产线，造成产品可靠性、一致性差。产业化规模较小，成本较高。(4) 现阶段国家出台的电动

12、汽车驱动电机系统标准较少，且不完善。如：不 同类型电机系统采用同一检测标准，缺乏可靠性、耐久性评价方法等。5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

13、，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电机比较直盃有刷电和交掘异步电机乐蔽同歩申麻开禿恥H电机功率密吋妊轉桓皆逹持1生一般奸好好转速范围domooo90”)- I5W>15000島操年性好好釜奸般奸结也M坚固性好一般I軒尺寸及质号大"一般,-ffl小轻高豪鬥于产匚申n控制辭戒本高高一般其中,异步电机主要应用在纯电动汽车（包

14、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项目工业用昶岳汽丰用祇疑封装尺寸空同不受限M1可用标准封装配廷的各种应用市置空间冃跟，

15、工TT胡惟且片冃品十行杵带前针廿住己rf工作环垸环境凰靈话中7担-4-HK .环堆遍匿变化幻-十减匚)可靠性磴衣耘高以保征主产连率很高M保岸乘车音安圭恂却方式通常勿凤渎(低枳大)通常为水楡(体1R小)控制性能多变领调連谊制需萼情确的力矩控制,动态性业衣妊功車密度菽底(0+ 2kW leg)较高(l-l,5fcW/lcg)性价比| 一叢极高6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5kw180kw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

16、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。6.1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。7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：th