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| 電動汽車電機技術及其發(fā)展研究 |
| 內(nèi)容簡介：隨著電子技術的飛速發(fā)展和進步,電子計算機的廣泛應用,新材料和新技術的不斷涌現(xiàn),應用市場的拓寬,電動汽車電機得到了迅速發(fā)展。面對競爭日益激烈的形勢,國內(nèi)電動汽車電機行業(yè)正處在調(diào)整轉折的時期。 |
電動汽車以電能為能源，具有零排放無污染的突出優(yōu)點，以解決環(huán)保需求與能源危機問題為出發(fā)點，因此其發(fā)展受到全球廣泛關注。電動汽車的發(fā)展有賴于技術的進步,尤其是需要進一步提高其動力系統(tǒng)的性能,降低其成本。而當前制約電動汽車發(fā)展的最關鍵問題之一就是電動機。
1 電動汽車電機技術的概述
1.1 電動汽車的發(fā)展
電動汽車的組成包括：電力驅(qū)動及控制系統(tǒng)、驅(qū)動力傳動等機械系統(tǒng)、完成既定任務的工作裝置等。電力驅(qū)動及控制系統(tǒng)是電動汽車的核心，也是區(qū)別于內(nèi)燃機汽車的最大不同點。電力驅(qū)動及控制系統(tǒng)由驅(qū)動電動機、電源和電動機的調(diào)速控制裝置等組成。電動汽車的其他裝置基本與內(nèi)燃機汽車相同。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。作為世界能源消耗大國和環(huán)境保護重要力量，中國積極實施電動汽車科技戰(zhàn)略，促進汽車工業(yè)產(chǎn)業(yè)結構升級和動力系統(tǒng)電動化轉型，培育和發(fā)展電動汽車社會，并取得了一定效果，但仍然面臨著政策環(huán)境亟需完善、工業(yè)基礎薄弱、國際競爭力弱、開放協(xié)同創(chuàng)新環(huán)境差、知識產(chǎn)權保護和標準化意識低、個別關鍵技術有待加強、車輛成本高、商業(yè)模式探索不充分等問題。本報告在簡要分析國外電動汽車社會發(fā)展現(xiàn)狀和階段特點基礎上，著重總結我國電動汽車社會的發(fā)展歷程，構成我國電動汽車社會的基礎產(chǎn)業(yè)結構特點，電動汽車社會建設所需的政策、標準、組織保障體系發(fā)展現(xiàn)狀，并結合新能源汽車戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)培育和發(fā)展，提出完善我國電動汽車社會發(fā)展的建議。
1.2 電動汽車電機技術的發(fā)展
電動汽車的關鍵技術之一是驅(qū)動電機及電機控制系統(tǒng)，它的選擇直接關系到電動汽車的性能及開發(fā)過程中的難度。電動汽車在不同的歷史時期采用了不同的電機，最開始采用了控制性能較好并且成本較低的直流有刷電機(DCM)。隨著電力電子技術及電機控制技術的發(fā)展，永磁無刷電機 (PM)、交流感應電機 (IM)、開關磁阻電機 (SRM)顯示出了比直流電動機更加優(yōu)越的性能，并已經(jīng)逐漸淘汰了直流電動機。美國和德國開發(fā)的電動汽車大多采用交流感應電機，主要優(yōu)點是價格較低、效率高、質(zhì)量輕，但起動轉矩小。日本研制的電動汽車幾乎全部使用永磁無刷電機，其主要優(yōu)點是效率比交流感應電機高，但價格較貴，永磁材料一般耐熱 1 800℃以下。開關磁阻電機結構較新，優(yōu)點是結構簡單、可靠、成本較低、起動性能好，沒有大的沖擊電流，它兼有交流感應電機變頻調(diào)速和直流電機調(diào)速的優(yōu)點，缺點是噪聲較大。
2 電動汽車電機技術探析
2.1 電動機車電機的種類
驅(qū)動電動機種類多，用途廣泛，功率的覆蓋面很大。
1、直流電機驅(qū)動系統(tǒng)
20 世紀 90 年代前開發(fā)的電動汽車通常采用直流電機驅(qū)動系統(tǒng)。直流電機驅(qū)動系統(tǒng)具有控制器簡單、成本低、易于平滑調(diào)速、控制相對成熟等優(yōu)點，但由于直流電機在運行過程中需要電刷和機械換向器換向，使電機的效率和轉速降低。電動汽車的驅(qū)動直流電機運行時可以運行在電動機狀態(tài)，也可以運行在發(fā)電機狀態(tài)。當電動汽車在起動、加速和恒速運行時，電動機處于電動狀態(tài)，實現(xiàn)電能到機械能的變換，以此驅(qū)動車輛前進。當電動汽車減速、制動時，控制直流電機處在發(fā)電制動狀態(tài)，即處于再生制動狀態(tài)，給蓄電池充電。電動汽車直流電機驅(qū)動系統(tǒng)中的直流電機通常采用串勵電機和他勵電機。
2、永磁電機(PMM)
PMM根據(jù)輸入電機接線端的電流可分為永磁直流電機(PMDCM)和永磁交流電機亦稱永磁無刷電機(PMBLM),PMBLM又包括永磁同步電機(PMSM)、永磁無刷直流電機(PMBLDCM)和永磁混合電機三種。PMM的控制方式與IM基本相同,是當前電動汽車應用的研發(fā)熱點。
其中永磁電機有包括永磁直流電機(PMDCM)、永磁同步電機(PMSM)、永磁無刷直流電機(PMBLDCM)、永磁混合電機(PMHM)。
1)永磁直流電機(PMDCM)
若勵磁線圈和磁極用永磁體代替,傳統(tǒng)的繞線式直流電機就變成了PMDCM。PMDCM功率密度和效率較高,電樞反應減少,換向器得以改善。這些優(yōu)點促進了它在電動車上的應用。但因其換向器會產(chǎn)生轉矩波動,同時其電刷會帶來摩擦和射頻干擾(RFI),并且它們都需要定期維護,因而PM-DCM的應用不再有吸引力。不過由于這類電機控制簡單,在小功率的電動車如電動自行車和電動三輪車中仍有所應用。
2)永磁同步電機(PMSM)
如果永磁體代替勵磁繞組,傳統(tǒng)的同步電機就變成了永磁同步電機。PMSM的定子與傳統(tǒng)的同步電機相同,轉子采用徑向永久磁鐵作成磁極。其轉子與旋轉磁場同步旋轉,旋轉磁場的轉速取決于電源頻率。正弦波定子電流和正弦反電動勢相互作用產(chǎn)生轉矩。PMSM產(chǎn)生的是理想的恒轉矩或稱平穩(wěn)轉矩。根據(jù)永磁體在轉子上安裝的位置不同,PMSM可分為表面式(SPM)和內(nèi)置式(IPM)。PMSM可采用圓柱形徑向磁場結構或盤式軸向磁場結構,由于其功率密度和效率高、體積小、慣性低、響應快以及調(diào)速范圍寬等優(yōu)點,使其成為電動車驅(qū)動電機中強有力的競爭者,發(fā)展前景最為廣闊,已在國內(nèi)外多種電動汽車中獲得應用。美國和日本在PMSM的研發(fā)方面居領先地位。正在開發(fā)的新型PMSM有:帶輔助磁極的PMSM,爪形結構的PMSM和混合勵磁型PMSM等。
3)永磁無刷直流電機(PMBLDCM)
若交換PMDLCM的定子和轉子,就成了PMBDC。PMBLDCM的轉子采用徑向永久磁鐵做磁極,磁鐵被插入轉子內(nèi),或以瓦形固定在轉子表面上,所以其轉子磁路是各向均勻的。轉子上無電刷和換向器,不再用勵磁繞組、集電環(huán)和電刷等來為轉子輸入勵磁電流。其定子繞組多做成三相對稱星形接法,同IM十分相似。PMBLDCM的綜合效率和功率密度高、體積小、重量輕、結構簡單牢固、免維修或少維修、運轉費用低、出力大。如果能很好地解決其控制和驅(qū)動問題,PMBLDCM將在電動汽車中有十分廣闊的應用前景。
4)永磁混合電機(PMHM)
在PMDCM中加入附加勵磁繞組,使其既有永磁體又有勵磁繞組,就成了一種新型的PMDCM即永磁混合電機。勵磁繞組固定在定子上,永磁體通常嵌入轉子中。由于在轉子中嵌入了附加勵磁繞組,使轉速范圍加寬,因此控制這種電機的關鍵就是控制勵磁電流。在高速恒功率區(qū)運行時,對永磁體產(chǎn)生的氣隙磁場進行的是弱控制。PMHM一般采用串聯(lián)和并聯(lián)結構。因永磁體磁導率低,串聯(lián)結構通常要求感應電動勢比較高,所以沒有并聯(lián)結構受人們的青睞。PMHM的優(yōu)點有:漏磁最小、結構緊湊、氣隙磁通密度和功率密度高,轉矩-轉速特性能滿足電動車的特殊要求,恒功率運行的速度范圍顯著提高,適當調(diào)節(jié)電源電壓和勵磁電流,可以提高電動車的驅(qū)動性能。此類電機的主要缺點是結構相對復雜。最新的研究方向是開發(fā)用于電動車的PMHM。
3、開關磁阻電機(SRM)
SRM是一種新型的調(diào)速電機。其定子和轉子由硅鋼片疊片組成,采用“凸極”結構。轉子上沒有繞組、滑環(huán)和永久磁體,只在定子上安裝有簡單的集中勵磁繞組。勵磁繞組的端部較短,沒有相間跨接線,磁通量集中于磁極區(qū),通過定子電流來勵磁。各相磁路的磁阻是隨轉子位置不同而變化。轉子的運轉依靠磁引力來運行,轉速可達15000r/min。根據(jù)SRM的轉子和定子的不同極數(shù),有多種組合方式,最常見的是三相6/4結構和四相8/6結構。
表 1 給出了直流電機、永磁電機、交流電機、開關磁阻電機的性能比較。
2.2 國內(nèi)外電動汽車電機技術的對比
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，最高轉速可達基速的2～2.5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3～123kW，電機恒功率范圍很寬，最高轉速可達基速的5倍。
在國內(nèi)，有學者通過SVPWM 過調(diào)制策略提高了電機在弱磁運行區(qū)域的定子電壓、輸出轉矩和功率消除過調(diào)制引起的逆變器輸出電壓控制規(guī)律非線性的影響。另外對基于轉子磁場定向的電動汽車無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)進行了研究，強調(diào)了電動汽車對電機控制系統(tǒng)的一些特殊要求及磁鏈估計模型的重要性。還有通過異步電動機矢量控制和模糊 PID 控制器地基礎上建立了電動汽車用異步電動機模糊矢量控制系統(tǒng)的仿真模型，基于電流偏差的解耦控制方法，有效提高了解耦控制的參數(shù)魯棒性，保證了電流調(diào)節(jié)器在寬調(diào)速的性能。另外以永磁同步電機為研究對象，通過模糊控制實時性好和預測控制的優(yōu)點的結合，構造了模糊預測協(xié)調(diào)控制器，提高了控制系統(tǒng)的性能，并且一種基于模糊規(guī)則進行切換的控制規(guī)則，可以很好的解決了兩種控制在切換時發(fā)生的擾動的問題。另一種是魯棒性控制方法。在電流環(huán)，基于內(nèi)�？刂�，設計了電流解耦控制器，改善了電流環(huán)性能，并且控制只有一個可調(diào)參數(shù)，簡化了設計。在速度環(huán)采用魯棒性控制方法，在所有的魯棒控制方案中，這種基于直接擾動消除的方法是一種簡單而且實用的方法。國內(nèi)通過這些年的發(fā)展，已經(jīng)解決了一些電動汽車驅(qū)動電機上問題。
2.3 電動汽車用電機驅(qū)動系統(tǒng)與普通工業(yè)用電機驅(qū)動系統(tǒng)差別
(l)車用電機驅(qū)動系統(tǒng)高功率密度的意義不僅在于能夠滿足整車的緊湊空間約束外,更重要的是,它是降低系統(tǒng)成本的最重要途徑。因此,車用電機設計飽和程度較高,導致了電機控制中必須處理參數(shù)非線性問題;車用電機控制器追求提升IGBT的利用率(雙面冷卻)、組件級集成與高效熱管理等;
(2)在效率方面,電動汽車車用電機驅(qū)動系統(tǒng)工作區(qū)域?qū)?與之對應全工作區(qū)域內(nèi)的效率優(yōu)化設計。在動力性能方面,電動汽車低速大轉矩需求要求電機設計與控制緊密結合,根據(jù)電機的參數(shù)特性實現(xiàn)最大轉矩電流比控制;在高速恒功率區(qū),由于電機反電勢接近供電電壓,電壓源車載型逆變器的控制裕度很小,弱磁控制中d、q軸電流正確跟蹤以寬弱磁比(即寬恒功率區(qū))是關鍵技術;
(3)車用電機驅(qū)動系統(tǒng)另外一個重到寺點是使用環(huán)境惡劣:環(huán)境溫度從-如℃到+l25℃,最大振動甚至大于l館,環(huán)境適應性要求加大了車用電機驅(qū)動系統(tǒng)高功率密度實現(xiàn)難度。面對電動汽車應用提出的上述要求,電動汽車用電機驅(qū)動系統(tǒng)的技術發(fā)展趨勢可以概括為:永磁高效、電力電子集成和機電集成。
2.4 電動汽車用電機設計與制造技術
在車用電機方面,包括直流電機、交流異步電機在內(nèi)的多種電機形式都在電動汽車的發(fā)展歷史中得到了應用。由于永磁同步電機具有功率密度高、全工作區(qū)域高效和動態(tài)性能好等優(yōu)點,從上世紀90年代以來就是電動汽車用電機的首選。相關科研工作主要圍繞提高功率密度、電機效率和滿足驅(qū)動性能開展了基于設計平面理論的電動汽車用永磁電機系統(tǒng)化設計，等研究工作。近年來由于永磁材料價格的大幅上升,使得高效交流異步電機和開關磁阻電機等被研究人員重拾話題。
電動汽車用電機驅(qū)動系統(tǒng)在制造工藝上與工業(yè)應用電機也有所不同。工業(yè)應用電機驅(qū)動系統(tǒng)通常采用交流異步電機, 汽車采用永磁電機。電機主要可以分為機殼、定子、轉子和轉軸幾大組件。相當于車用電機功率等級的工業(yè)用交流異步電機采用風冷或自然冷卻,機殼常采用鋁型材加工。車用電機驅(qū)動系統(tǒng)采用液體冷卻,機殼需要經(jīng)過鑄造、機加工和焊接〔藝,能經(jīng)受高壓力、劇烈環(huán)境溫度變化和振動的鋁焊接工業(yè)是車用電機機殼制造的難點。在定子制造方面,車用永磁電機的定子部分采用了分段拼接式結構以提升生產(chǎn)效率。該定子結構采用自動繞線機實現(xiàn)定子繞組嵌線,提升了效率和成品率。此外,車用永磁電機采用的硅鋼片也較工業(yè)電機更薄、損耗更小,對鐵心疊裝工藝提出了新要求。在轉子制造方面,車用永磁電機轉子鑲嵌高性能鉸鐵硼磁鋼,為提高生產(chǎn)率需要采用充磁機進行整體充磁,整體充磁技術是電動汽車用永磁電機的關鍵技術之一�？傊�,車用永磁電機在原材料、工藝和生產(chǎn)設備等方面與工業(yè)電機存在多處不同,在圖1中將不同之處用白邊框表示。
2.5 目前電動汽車電機技術存在的問題
目前，電動氣汽車用電機驅(qū)動系統(tǒng)還存在很多問題，需要整個行業(yè)共同去解決，主要問題如下：
1）世界范圍內(nèi)，現(xiàn)有車用電機驅(qū)動系統(tǒng)無法支撐電動汽車的大規(guī)模應用，IGBT器件和電機材料利用率有待提高。
2）國內(nèi)車用電機驅(qū)動系統(tǒng)的可靠性和耐久性較低，而且缺乏可靠性和耐久性評價理論依據(jù)，無法通過設計和有限實驗獲知電動汽車電機驅(qū)動系統(tǒng)的壽命。電機驅(qū)動系統(tǒng)是典型的串聯(lián)可靠性模型，現(xiàn)有國際制定的可靠性測試工控仍參照發(fā)動機考核，缺乏可靠性和耐久性評價理論依據(jù)。
3）缺乏車用電機驅(qū)動系統(tǒng)MHz級高平準確模型及驗證手段，整車EMC問題難以解決，是電動汽車推廣應用的另一重要技術障礙�；诶硐胪負浜屠硐腴_關器件的車用電驅(qū)系統(tǒng)模型不能分析驗證整車的EMC/EMI問題，必須建立反應有源器件功率開關過程、無源器件（母排、電容及電阻等）自身和互聯(lián)雜散參數(shù)、驅(qū)動電機定轉子、軸承耦合的高頻等效電路模型，結合控制算法，構建全時域系統(tǒng)級車用電驅(qū)動系統(tǒng)EMC模型，才能精確分析預測EMC問題。
4）缺乏與提升材料利用率、建立可靠性和電池兼容模型等有關的一些基本模型，是車用電機驅(qū)動系統(tǒng)技術突破的理論障礙。例如電機高功率密度化后，磁場飽和和波形畸變嚴重，鐵心材料的鐵損耗與基于正弦、脈振和線性假設的理想模型預測值相差甚遠，需要建立新型的鐵損耗模型。
總之，電動汽車的產(chǎn)業(yè)化推進，需要電機技術的進一步突破，需要綜合利用過渡技術（曾程式、插電式混合等），需要充電設施不斷完善。
3 電動汽車電機技術的發(fā)展趨勢和展望
3.1 我國車用驅(qū)動電機系統(tǒng)有 3 個技術發(fā)展方向：永磁化、數(shù)字化和集成化。
永磁化是指永磁電機具有功率密度和轉矩密度高、效率高、便于維護的優(yōu)點。采用矢量控制的驅(qū)動控制系統(tǒng)，可使永磁電動機具有寬廣的調(diào)速范圍。數(shù)字化不僅包括驅(qū)動控制的數(shù)字化，驅(qū)動到數(shù)控系統(tǒng)接口的數(shù)字化，而且還應該包括測量單元數(shù)字化。用軟件最大程度上地代替硬件，除完成要求的控制功能外，還可以具有保護、故障監(jiān)控、自診斷等其他功能。電動汽車應用一個很大的特征是電機系統(tǒng)的集成化。
主要體現(xiàn)在 2 個方面的集成化：(1) 電機方面。電機與發(fā)動機總成、電機與變速箱總成。電機驅(qū)動技術向著集成化的方向發(fā)展有利于減小整個系統(tǒng)的質(zhì)量和體積，并可以有效的降低系統(tǒng)的制造成本。(2) 控制器方面。電力電子總成(功率器件、驅(qū)動、控制、傳感器、電源等 )。這種集成方法可以較好地解決不同工藝的電路之間的組合和高電壓隔離等問題，具有較高的集成度，也可以比較有效地減小體積和質(zhì)量，國外的大陸公司、博世等公司已有小批量生產(chǎn)能力。國內(nèi)廠商剛起步，還存在分布參數(shù)、電磁兼容、傳熱等具有較高難度的技術問題，并且尚不能有效地降低成本，達到較高的可靠性。在技術發(fā)展的同時，電機系統(tǒng)也在向產(chǎn)業(yè)化、多品種、小批量規(guī)�；a(chǎn)模式靠攏，在目前階段需要特別解決多品種、小批量柔性生產(chǎn)的工藝和工程化問題。
3.2 行業(yè)產(chǎn)品發(fā)展趨勢
根據(jù)行業(yè)基本情況,汽車電機總的發(fā)展方向是,產(chǎn)品向永磁化、無刷化、智能化、高性能化、組合化、機電一體化方向發(fā)展;生產(chǎn)向?qū)I(yè)化、大批量、高效率發(fā)展;測試技術向高效、自動化發(fā)展。為了滿足日益廣闊的市場需求,也重視生產(chǎn)低價格的品種。
3.3 設計技術方向
隨著電子技術的進步,計算機的廣泛應用,應著重和大力開展汽車電機優(yōu)化設計方法的研究,以提高產(chǎn)品的技術性能和經(jīng)濟指標,克服僅靠設計人員的經(jīng)驗及設計經(jīng)驗數(shù)據(jù)來設計產(chǎn)品的局面。另外,應推進產(chǎn)品可靠性研究工作,開展可靠性試驗方法、失效模式和可靠性評估研究,針對重點產(chǎn)品開展可靠性設計。
3.4 制造技術方面
鑒于汽車電機與國外的主要差距是產(chǎn)品制造技術,要根據(jù)行業(yè)制造技術現(xiàn)狀及引進技術的消化和吸收,重點解決規(guī)模生產(chǎn)的制造技術,加速企業(yè)技術改造,實現(xiàn)裝備現(xiàn)代化,提高產(chǎn)品質(zhì)量、壽命和可靠性,使產(chǎn)品盡快達到國外產(chǎn)品水平,同時要建立強有力的質(zhì)保體系。
3.5 采用新技術,發(fā)展新產(chǎn)品
隨著電子技術的飛速發(fā)展和進步,電子計算機的廣泛應用,新材料和新技術的不斷涌現(xiàn),應用市場的拓寬,電動汽車電機得到了迅速發(fā)展。面對競爭日益激烈的形勢,國內(nèi)電動汽車電機行業(yè)正處在調(diào)整轉折的時期。
3.6 積極采用先進產(chǎn)品標準
推動機械工業(yè)強制性標準的實施,引導企業(yè)采用推薦性標準,積極采用國外先進標準,向國際標準靠攏,以利于出口和創(chuàng)匯,提高市場競爭能力。
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