启飞汽车

摘要

    该文根据驱动电机的分类, 详细解读各类电机的性能和特征, 随着科学技术的发展, 我国加大了对电动汽车驱动电机和控制器的研究, 力争在新能源产品的角逐中脱颖而出, 作为贯穿电动汽车相关部件的电气驱动系统, 它的优化尤为关键, 该文将详细解读电气驱动技术及其发展。
    电气驱动系统是电动汽车的核心, 主要由驱动电机、功率转换器和电子控制器3个子系统构成, 驱动电机将电能转换为机械能;功率转换器在驱动和能量再生过程中, 对能量源和电机之间的能量流进行调节;电子控制器包括传感器、电气连接电路和微处理器, 实现信号采集、转换、传输和处理。相关组件的配合组成了电气驱动系统, 文章将主要分析电动汽车电气驱动技术的特点, 重点探究电气驱动技术在电动汽车中的应用及发展趋势。

一、驱动电机特点及其分类

    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, 以适应车辆起动、加速、负荷爬坡、频繁起停等复杂工程;
    2)基速以上为恒功率运行, 以适应最高车速、超速等要求;
    3)全转速运行范围内的效率最优化, 以提高车辆的续航能力;
    4)结构坚固、体积小、质量轻、良好的环境适应性和可靠性;
    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, 但质量大, 需要定期维护。随着电力电子技术、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。目前已经逐步取代了直流电机控制系统, 尤其是得益于设计方法、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、永磁和开关磁阻三大类型, 其特点, 如表1所示。
 

表1 直流有刷、异步、永磁和开关磁阻电机的特点
 

    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上, 开关磁阻电机目前主要应用在客车上。由于其具有高效、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机。日本丰田公司的普锐斯 (PRIUS) 采用的永磁同步电机功率达到了50 k W, 新配置的SUV车型所用的电机功率已经达到了123 k W。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。

二、我国驱动电机及其控制器的现状

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, 大功率异步电机系统已经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的验证。

2.开关磁阻电机驱动系统

    开关磁阻电机结构简单、坚固, 转子上没有绕组、磁钢或滑环, 可以高速运行, 效率较高。既具有异步电机矢量控制系统的高效率、高可靠性, 又具有直流调速系统的良好控制特性, 但开关磁阻电机具有严重的非线性特征。因此, 很多工作集中于非线性基础上的电磁转矩和铁耗的精确求解上, 对于开关磁阻电机的转矩、转速控制, 一般在低速时采用电流斩波控制, 以获得恒转矩的特性;在高速时, 采用角度位置控制。
    开发磁阻电机驱动系统已经形成了优化设计和自主研发的能力, 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的需求。部分公司已经具备年产2 000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

    近年来, 电动汽车应用方波驱动的无刷直流电机驱动系统已经越来越多。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的性能, 基本满足了电动汽车的需求, 并且已经初步形成了具有机电一体化的设计能力。

4.永磁同步电机驱动系统

    永磁同步电机驱动系统已经形成了一定的研发和生产能力, 开发了不同系统的产品, 可以应用于各类电动汽车, 产品部分技术指标接近国际先进水平, 但总体水平与国外还有一定的差距。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以达到280℃, 但技术水平仍与德国和日本有较大的差距。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%左右, 其厚度对铁耗有较大的影响, 日本已经生产出了0.27 mm的硅钢片用于车用电机。

三、电动汽车驱动技术的发展趋势

    相比于工业应用, 对于汽车应用来讲, 空间是有限的, 每一套系统都要根据特定的车型来定制, 尤其是混合动力汽车体现的非常明显。在可靠性方面, 工业应用的可靠性很高, 但是不管从哪方面讲, 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, 但是在汽车的应用中, 电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, 其动态性能较差, 而汽车应用里, 需要精确的力矩控制, 动态性能好。目前, 车用电驱动系统的发展趋势是永磁化、数字化和集成化。永磁磁阻电机效率高、功率较大、功率因数高。数字化是电气驱动系统的核心。
    电机系统集成主要有2种方式, 一种是电机跟发动机结合;另一种是电机与变速器结合。还有一种趋势是做电力电子的集成, 现在驱动控制器, 国际最高水平是17.2 k W。采用混合电力电子集成技术, 核心是采用高功能的集成模块, 采用新型薄膜电容一体化的技术。

四、我国电动汽车的未来趋势

1.我国电动汽车发展的政策性建议

    电动汽车产业的发展, 除了技术上的突破, 还需要国家政策上的支持。对车企的生产研发和市场化进行政策性的指导和推动, 国家应制定明确的电动汽车发展目标, 让企业真正看到政府长期发展电动汽车的决心, 真正看到市场。
    电动汽车过去没有规模, 相关零部件配套体系不健全。要建立完善的配套体系, 我国可以采用以市场为导向, 整车和零部件企业紧密合作, 政府积极扶持的三位一体方式给予推动, 尽快实现电动汽车的产业化。另外, 政府还可以建立一套综合的、可操作性的经济奖励和惩罚制度, 对企业生产电动汽车给予财政补贴, 在交通领域给电动技术一定特权等。
    采用税收优惠、政策补贴等措施鼓励消费者的消费行为。对于一个普通消费者来说, 价格是决定是否购买电动汽车的关键因素。在这种情况下, 就需要发挥政府行为的主导作用, 引导和鼓励电动汽车的消费。对于购买电动汽车者, 我国政府可以在车辆购置税等方面有所减免。地方政府和环保局可以按照车辆配置, 给每辆电动汽车实施一定的奖励。此外, 实施差异化的燃油税, 降低车辆的使用成本, 也能刺激消费者购买和使用电动汽车。
    对指定的政策进行监督和反馈。我国电动汽车产业化的政策相对滞后, 一些部门间, 工作的协调和衔接上不够顺畅, 导致了政策没有连续性。因此, 政府有必要对相关政策的实施情况进行监督, 并对结构进行及时的反馈。

2.我国电动汽车的发展战略

    我国电动汽车的发展战略, 必须要着眼于解决实际问题, 力求取得实效。既要有利于能源安全和环境要求, 还要在经济上拥有竞争力。可分为下述3个战略阶段。
    第1阶段:实现混合动力电动汽车规模商业化, 形成氢能燃料电池和蓄电池动力系统成熟成套技术。
    第2阶段:燃料电池电动汽车和纯电动汽车具备商业竞争力, 开始规模化商业应用;
    第3阶段:以氢能燃料电池为核心的电动汽车逐步上升为主导型, 制氢方式逐步多元化和便利化, 并向可再生源制氢转化, 实现新能源的电气化。

五、结语

    随着现代化科学技术进步, 自然资源供给能力与生态环境承载能力的矛盾逐渐加剧, 按照传统的大量耗费不可再生自然资源和破坏生态环境的经济增长模式将难以为继。与此同时, 在交通能源的战略领域中, 一些关键核心技术, 如电动汽车已经开始取得革命性的突破, 作为核心技术的电气驱动自然成为了重中之重。面对巨大的市场需求, 我国电动汽车技术和产业研究人员, 应该抓住机遇、迎难而上, 力争做创新篇章的领导者。
 
作者：刘芳  易念慈  来源：汽车工程师
 

福利：做任何事情，都有方法。比如汽车行业如何最短时间内获取高薪，其实，是一件很容易的事情，结合汽车行业十多年工作经历，我做了一次系统全面总结无偿分享大家，文章共计十篇。帮助更多的网友在汽车行业快速发展。同时，我业余时间整理一套免费经典的CATIA视频教程， 汽车设计领域必备软件工具，大家有需要的，可以给我留言，请加qq:1011852705，微信qifei1799。提“启飞”就可以获取下载链接:汽车行业快速突破月薪过万绝密分享和catia视频精品一套。明确方向，精准学习，为以后在汽车行业职场做好铺垫。