電動汽車電控系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀及其趨勢

臧超

電池技術(shù)、電機驅(qū)動及其控制技術(shù)、能量管理技術(shù)以及電動汽車整車技術(shù)為電動汽車四大關(guān)鍵技術(shù)。電控系統(tǒng)用于控制電池、電機等組件，其功能包括：電池管理，發(fā)動機、電動機能量管理等。

1電控系統(tǒng)組成及其原理

電控系統(tǒng)由ECU等控制系統(tǒng)、傳感器等感應系統(tǒng)、駕駛員意圖識別等子系統(tǒng)組成。電控系統(tǒng)的材料成本占比不高，但需要經(jīng)過多次試驗才能掌握關(guān)鍵算法，尤其是混合動力汽車涉及油、電混合的控制策略，技術(shù)壁壘較高。

電機控制器作為新能源汽車中連接電池與電機的電能轉(zhuǎn)換單元，是電機驅(qū)動及控制系統(tǒng)的核心，主要包含IGBT功率半導體模塊及其關(guān)聯(lián)電路等硬件部分以及電機控制算法及邏輯保護等軟件部分。

電機驅(qū)動控制系統(tǒng)（包括驅(qū)動電機和電機控制器）是新能源汽車車輛行使中的主要執(zhí)行結(jié)構(gòu)，控制和驅(qū)動特性決定了汽車行駛的主要性能指標。

一般來講，電機控制器的主要由如下幾部分組成：

（1）電子控制模塊（ElectronicController）包括硬件電路和相應的控制軟件。硬件電路主要包括微處理器及其最小系統(tǒng)、對電機電流，電壓，轉(zhuǎn)速，溫度等狀態(tài)的監(jiān)測電路、各種硬件保護電路，以及與整車控制器、電池管理系統(tǒng)等外部控制單元數(shù)據(jù)交互的通信電路。控制軟件根據(jù)不同類型電機的特點實現(xiàn)相應的控制算法。

（2）驅(qū)動器（Driver）將微控制器對電機的控制信號轉(zhuǎn)換為驅(qū)動功率變換器的驅(qū)動信號，并實現(xiàn)功率信號和控制信號的隔離。

（3）功率變換模塊（PowerConverter）對電機電流進行控制。電動汽車經(jīng)常使用的功率器件有大功率晶體管、門極可關(guān)斷晶閘管、功率場效應管、絕緣柵雙極晶體管以及智能功率模塊等。

2電控系統(tǒng)研究現(xiàn)狀及技術(shù)方向

目前，電動汽車電機控制器多采用三相全橋電壓型逆變電路拓撲，部分產(chǎn)品前置雙向DC/DC變換器，以增大電機端輸入交流電壓，提升高轉(zhuǎn)速下的輸出功率，降低電機設(shè)計與生產(chǎn)成本。傳統(tǒng)控制器中直流支撐電容器體積龐大、耐高溫性能較差。

為減小直流支撐電容器體積甚至取消直流支撐電容器，新型變換器電路拓撲和控制方法成為電動汽車應用研究的新熱點，但尚處于實踐探索階段。

目前電動汽車用變流器的研發(fā)重點仍然多集中在電力電子集成方面。

綜合技術(shù)和市場趨勢分析，未來，車用驅(qū)動電機系統(tǒng)的三個技術(shù)發(fā)展方向是永磁化、數(shù)字化和集成化。

（1）永磁化指永磁電機具有功率密度和轉(zhuǎn)矩密度高、效率高、便于維護的優(yōu)點。目前電機永磁化趨勢正凸顯，一覽眾咨詢數(shù)據(jù)顯示，永磁同步電機在我國新能源汽車中的使用占比已超過90%。

（2）數(shù)字化包括驅(qū)動控制的數(shù)字化、驅(qū)動到數(shù)控系統(tǒng)接口的數(shù)字化和測量單元數(shù)字化。用軟件最大程度地代替硬件，具有保護、故障監(jiān)控、自診斷等其他功能。

（3）集成化主要體現(xiàn)在兩個方面：①電機方面：電機與發(fā)動機總成、電機與變速箱總成的集成化;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）的集成化。未來把電機、減速機、控制器一體化，是一種趨勢，不僅減小了體積，更使得產(chǎn)品更加標準化。

雖然國內(nèi)外控制器技術(shù)存在差異，但從2015年開始，新能源汽車產(chǎn)品類型多樣化，對不同的控制器需求更加豐富。單從數(shù)量來看，目前我國電動汽車電機控制器市場主要由國產(chǎn)品牌占據(jù)，外資產(chǎn)品因其價格較高等原因，在市場的培育和初期發(fā)展階段所占份額較小。

3國內(nèi)外電控技術(shù)差異及趨勢

目前，國內(nèi)驅(qū)動電機產(chǎn)業(yè)發(fā)展較快，整體水平達到國際先進水平。國內(nèi)整車匹配電機基本為本土生產(chǎn)。國內(nèi)外的差距主要表現(xiàn)在零部件和整車的同步開發(fā)。

（1）電機

我國經(jīng)過10多年的發(fā)展，在國內(nèi)的商用車（包括客車、卡車），還有乘用車、專用車（主要包含物流車）應用方面，當前國內(nèi)已經(jīng)完全具備了滿足這些新能源汽車要求的驅(qū)動電機和電機控制器的研發(fā)和制造能力，而且從產(chǎn)能來講的話，也是完全可以滿足需求。

在驅(qū)動電機方功率密度、效率等指標，和國外先進水平基本相當。

以日產(chǎn)Leaf純電動轎車為例，電機重量約為60Kg，峰值功率約為80Kw，作為對標產(chǎn)品，國內(nèi)的技術(shù)水平在功率密度和效率基本處于同一水平。

在“十三五”國家規(guī)劃中，明確提出電機效率超過4Kw/Kg，國內(nèi)部分企業(yè)的量產(chǎn)產(chǎn)品已經(jīng)實現(xiàn)該目標，但是相較于國際最先進的產(chǎn)品水平，在控制器的體積上相差一倍以上。

從電機本身角度來看，我國同國外企業(yè)在正向設(shè)計水平基本處于同一水平，同時也在向高密度和小型輕量化這方向不斷拓展。

但從生產(chǎn)裝備和工藝來說，國內(nèi)由于單一產(chǎn)品的規(guī)模仍然較小，在工藝水平和規(guī)模上同國外存在一定差距。

（2）電機控制器

國內(nèi)的電力電子技術(shù)起步相對較晚，功率電子一直是制約我們國內(nèi)電機控制器發(fā)展的瓶頸。

差距主要體現(xiàn)在功率器件技術(shù)，功率器件技術(shù)也不單單指模塊，也包含芯片的研發(fā)技術(shù)、封裝材料和封裝工藝技術(shù)，還涉及到電機控制器的集成技術(shù)。

因為這些技術(shù)的時間差，使得國內(nèi)電機控制器的功率密度水平和國外量產(chǎn)的產(chǎn)品比較存在有些差距。2014年這種差距是一半，國內(nèi)控制器是國外同類控制器的兩倍體積。

經(jīng)過這兩年的快速發(fā)展，國內(nèi)電機控制器功率密度比2014年提高了50%，在這一領(lǐng)域和國外這個差距縮小了很多。

（3）電驅(qū)動總成測試評價

從電驅(qū)動總成測試評價方面來講，主要分為電驅(qū)動系統(tǒng)層面和關(guān)鍵材料與器件層面。在電驅(qū)動系統(tǒng)層面，包括系統(tǒng)總成評價、功率標定評價、帶載EMC評價、NVH評價和電安全性評價。

其中，對于功率標定評價來說，功率密度的評價維度很多，需要對各種邊界條件進行界定，保證測試方法的客觀性。

在電磁兼容方面，目前帶載測試的應用仍然較少，空載狀態(tài)與驅(qū)動電機的實際運行工況差異較大，將會導致測試結(jié)果的巨大差距。

驅(qū)動電機的NVH特性和電安全性能等也是測試評價的重要環(huán)節(jié)。

4結(jié)論

在中國乃至全球范圍內(nèi)，汽車電機都是電機業(yè)中的小分支，但是汽車電機制造門檻非常高，尤其是我國的電機驅(qū)動系統(tǒng)與國外驅(qū)動機系統(tǒng)相比還存在不小的差距與不足，得益于政策的扶持和電機巨頭對市場的重視，目前中國的新能源汽車產(chǎn)業(yè)正在加快發(fā)展步伐。