新能源汽车驱动电机技术挑战与发展趋势聚焦

2015-04-20 18:46:20来源: 盖世汽车网

    众所周知,新能源汽车作为我国的战略性新兴产业在近几年已取得阶段性进步。然而,这一产业距离真正市场化却仍面临着诸多制约,而在这其中,关键技术的突破首当其冲被认为是亟需解决的一大瓶颈。

    对此,在今年的1月16日,科技部发布了《国家重点研发计划新能源汽车重点专项实施方案(征求意见稿)》,计划在现有技术基础之上,到2020年,建立起完善的电动汽车动力系统科技体系和产业链,为2020年实现新能源汽车保有量达到500万辆提供技术支撑。方案的具体目标还显示,驱动电机技术水平保持国际先进,电机驱动控制器比功率2020年比2014年提高一倍。

    政策东风再次吹来,那么到底我国目前应用于新能源汽车的驱动电机技术水平几何?相较于工业电机,其又有何技术挑战?未来发展趋势又将如何?针对于此,4月16日晚,盖世汽车网特组建“盖世微课堂——新能源汽车驱动电机产业现状与发展趋势”(以微信为主体的专业群交流模式),就新能源汽车驱动电机的特点、产业现状与未来发展趋势进行了探讨,邀请大洋电机新动力科技有限公司软件研究所所长邴黎明开堂授课,来自上汽、广汽、北汽、比亚迪、一汽大众、吉利、长城等整车厂;博世、大陆、德尔福、麦格纳、法雷奥、联合汽车电子等零部件企业以及万向、上海电驱动等相关行业的共347位人士在群内展开热烈讨论。会后盖世汽车网将重点内容进行梳理和补充,以飨读者。

新能源电机面临多项技术要求挑战

    驱动电机作为新能源汽车的三大核心部件之一,相比传统工业电机,无疑有着更高的技术要求。

    在本次盖世微课堂探讨中,邴黎明指出了新能源汽车驱动电机的几大技术要求。其一,鉴于整车布置空间有限(尤其是乘用车),因此,对于电机系统(电机和控制器)的大小尺寸有着非常严格的要求——结构紧凑、尺寸小、功率密度高、转矩密度高。

    其二,由于整车上电池容量有限,因此提高整车电机系统效率就被认为是另一个提升汽车续航里程的重要途径。在邴黎明看来,提高整车电机系统效率需满足三大技术要求:效率高、高效区广、重量轻。

    其三,电机的噪音与振动对于整车的NVH造成了直接影响,而对于消费者来说,无论是传统车还是新能源车,其追求的指标无非就是舒适性。因此低噪音与低振动就成为了新能源汽车电机的重要指标之一。在微友问及该如何解决整车的振动与噪声时,邴黎明指出,电机的结构、安装位置及其他零部件的安装等都会对整车振动产生影响。对于噪音情况来说,电磁场的设计、控制方面的策略等都将对解决NVH问题有所帮助。

    其四,电磁兼容也是电机系统中的一大技术挑战。电机驱动过程中需有高电压、大电流、快速电力电子器件开关技术;整车的金属车身易传导电磁噪声;电子控制单元多且距离近;整车影响因素众多,难以模拟等问题都是电磁兼容所要考虑的重要方面。因此,要解决这一技术难点,需要经过长时间的反复试验来逐步完善滤波与屏蔽设计,同时还需从整车集成、零部件多层次多领域来分析解决。

    最后,邴黎明谈到了新能源汽车电机面临的诸多恶劣环境:发动机舱的高温、整车的振动、电池电压剧烈的波动等都对新能源汽车的可靠性提出了更高的要求。而可靠性也成为了国内外电机技术的主要差距所在。对于可靠性,邴黎明认为需要从三方面去考量。其一是通过严格的开发流程(TS16949)来控制规范,其二需有高开发标准(ISO26262),其三需要有严苛的可靠性、耐久性试验,这一步需与整车厂协同合作完成。另外,据了解,我国在电机控制器和DC/DC转换器的体积、质量以及对车用环境适应性的考核等方面也都与国外先进水平存在一定差距。

    邴黎明总结道,要提高电机系统的性能,需要从多层面、多领域来优化。其中主要包含了从前期的设计阶段的电机振动和噪声仿真、系统热能管理及热性能仿真、系统控制策略仿真、电机本体与驱动电路耦合电磁仿真、电机概念设计与结构仿真以及电机结构机械性能分析等步骤。

 

最合适的新能源汽车电机类型:永磁同步电机

    当前市场上应用最广泛的新能源汽车电机主要有三类:永磁同步电机、异步电机和开关磁阻电机。

    其中,永磁同步电机兼备着效率高、高效区宽、转矩密度高、电机尺寸小、重量轻调速范围宽等众多优点,因此,以丰田汽车和本田汽车为代表的国际化制造商以及国内一汽、东风、长安、奇瑞等厂商均在其新能源汽车中采用了永磁电机方案。另外,近几年来,随着电子电力技术、微电子技术、新型电机控制理论和稀土永磁材料的快速发展,永磁同步电机也得到了迅速推广,因此,目前业内普遍认为永磁同步电机是最合适新能源汽车的电机类型。

    当然,永磁同步电机不可避免也有其本身的一些局限性,其电机结构(尤其是转子结构)十分复杂,另外,其饱和非线性也使得其控制相对复杂。

    而异步电机较之于永磁同步电机,成本更低、结构相对更简单、控制技术也相对成熟。但是其高效区较窄,在相同的性能参数下,异步电机的尺寸较大,重量较重,这些缺点都在一定程度上制约了其广泛应用。

    开关磁阻电机从电机本身和控制来说都十分成熟,电机结构简单可靠、系统成本低是其主要优点。但由于开关磁阻电机有转矩波动大、噪音大、系统非线性特性等缺点,所以目前应用还受到限制。

发展趋势聚焦:电机永磁化、控制系统数字化、系统集成化

    未来我国新能源汽车驱动电机系统将朝着电机永磁化、控制系统数字化和系统集成化方向发展。

    基于永磁同步电机效率高、高效区宽、转矩密度高、重量轻、调速范围宽等优点,未来电机永磁化是必然趋势之一。据了解,目前在混合动力轿车中采用的基本都是永磁同步电机,丰田普锐斯采用的永磁同步电机功率已达到了50kW。

    控制系统数字化则包含了硬件与软件两方面。硬件即高速、高集成度、低成本的专用芯片,这将使电机驱动的电路更为小型化、集成化;软件则体现在电机控制方面,电机控制算法未来的发展方向将着重在高性能的转矩转速控制与和在线辨识上。另外,针对新能源汽车驱动应用的电机控制策略也是一大重点发展趋势,这其中包括了满足整车各种工况的转速转矩控制(启动发动机、电机驱动、制动能量回收等),可靠的故障监控和系统保护以及自动适应恶劣工况的变化功能(电机、控制器温度的变化、车载电池电压较大的波动)。最后,邴黎明指出,控制系统数字化软件方面,还须有完善的控制软件可靠性测试、可靠、科学的软件架构。

    电机驱动系统的集成化包括两个方面:机电集成与电力电子器件的集成。机电集成包含车用电机与发动机集成构成混合动力发动机总成(如本田的ISA系统)与车用电机与变速箱的集成(如丰田混合动力系统THS)两者。通过机电集成可有利于减小整个系统的重量和体积,有效降低系统制造成本。电力电子器件的集成主要包括ISG控制器、驱动电机控制器以及DC-DC的集成。这种集成方法可较好地解决不同工艺电路之间的组合和高压隔离等问题来改进散热设计,也可以比较有效地减少电力电子器件的体积及重量。

总结:

    正如邴黎明所说,驱动电机作为新能源汽车上的关键零部件,其技术还有待提高,产品品质有待升级,行业标准有待完善,整个行业也仍处于产业化起步阶段,在关键技术上与发达国家还有差距。然而相信,凭借着新能源汽车产业的快速发展与我国在稀土材料、电机和电力电子制造等方面的优势,新能源汽车电机驱动系统技术和产业的发展必将驶入“快车道”。

关键字:汽车  技术  挑战  聚焦

编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/qcdz/2015/0420/article_10706.html
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