電動汽車電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

朱蘇雨

【摘??要】本文對電動汽車電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)發(fā)展?fàn)顩r以及所存在的問題進(jìn)行羅列和分析，并總結(jié)出電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的未來發(fā)展趨勢。

【關(guān)鍵詞】驅(qū)動電機(jī);電機(jī)控制器;新一代IGBT技術(shù);輪轂電機(jī)

Abstract：this?paper?lists?and?analyzes?the?development?status?and?problems?of?electric?vehicle?motor?drive?system，and?summarizes?the?future?development?trend?of?motor?drive?system.

Key?words：drive?motor，motor?controller，IGBT?technology，hub?motor.

引言

由于能源危機(jī)和環(huán)境污染問題，電動汽車即將成為新的一代科技明星。電動汽車清潔無污染、能量效率高、低噪音的優(yōu)點，使得電動汽車的產(chǎn)業(yè)化勢不可擋。在電動汽車的產(chǎn)業(yè)化過程，企業(yè)和客戶都非常關(guān)注電動汽車的可靠性。驅(qū)動系統(tǒng)是電動汽車的關(guān)鍵部件之一，其可靠性研究不但能夠獲得電動汽車電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)，為行業(yè)提供經(jīng)濟(jì)適用的可靠性考核方法和可靠性考核標(biāo)準(zhǔn)，能夠大力促進(jìn)我國電動汽車的產(chǎn)業(yè)化，加快我國電動汽車的快速發(fā)展。

一、電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)目前的研究情況

目前國內(nèi)的車用驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng)已達(dá)到了小批量生產(chǎn)的水平，包括各種類型電機(jī)以及風(fēng)冷、水冷等冷卻形式，涵蓋5kW～?180kW功率范圍。部分系統(tǒng)指標(biāo)（如比功率和系統(tǒng)效率）達(dá)到了國際先進(jìn)水平。

系統(tǒng)中應(yīng)用了矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等控制方法，采用了IGBT等全控型電力電子器件，DSP等先進(jìn)的數(shù)字處理器，CAN總線通訊模式等控制技術(shù)，對參數(shù)辨識，效率優(yōu)化，死區(qū)補償?shù)葘ｉT的問題開展了有針對性的研究，取得了卓有成效的成果，有一大批車輛已在城市道路上進(jìn)行示范運行。[1]

二、電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)目前存在的問題

電驅(qū)動系統(tǒng)主要由電機(jī)控制器、驅(qū)動電機(jī)組成。電動機(jī)的作用是將電源的電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，并通過傳動機(jī)構(gòu)驅(qū)動車輪轉(zhuǎn)動;電機(jī)控制器是連接電池與電機(jī)的能量轉(zhuǎn)換單元，是電驅(qū)動控制系統(tǒng)的核心，主要包含?IGBT?功率半導(dǎo)體模塊及相關(guān)電路等硬件部分以及電機(jī)控制算法和邏輯保護(hù)等軟件部分。電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)是新能源車輛行駛中的主要執(zhí)行機(jī)構(gòu)，驅(qū)動特性決定了汽車行駛的主要性能指標(biāo)。[2]但是就目前電機(jī)控制系統(tǒng)的研發(fā)來說，還存在相當(dāng)多的問題。

1.電機(jī)控制器目前存在的問題

由全球的技術(shù)研發(fā)來看，當(dāng)汽車行駛在路況較復(fù)雜或交通條件較為擁堵的道路時，駕駛員需要對車輛進(jìn)行頻繁的操作，相應(yīng)的電機(jī)也需要時刻更換工作狀態(tài)，那么電機(jī)控制器也多數(shù)時間處于不穩(wěn)定的工作狀態(tài)。在這種惡劣的操作環(huán)境下，多次頻繁地改變電機(jī)控制器的狀態(tài)可能使得其反應(yīng)靈敏度降低甚至由于超負(fù)荷而造成控制器的燒毀。

2.驅(qū)動電機(jī)目前存在的問題

目前電動汽車普遍采用永磁同步電機(jī)。永磁同步電機(jī)具有效率高、轉(zhuǎn)速范圍寬、體積小、重量輕、功率密度大、成本低等優(yōu)點，成為純電動乘用車市場的主要驅(qū)動電機(jī)。但是永磁同步電機(jī)面臨以下幾方面的技術(shù)難點：

（1）從功率密度方面考慮

功率的提升有兩種途徑，一種是提高扭矩，另一種是提高轉(zhuǎn)速。前者主要問題是過載電流加大，造成發(fā)熱量高，給散熱造成較大壓力;后者是高速時鐵磁損耗大，需采用高性能低飽和硅鋼片，從而使成本提高;或采用復(fù)雜的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，但影響功率密度。

（2）從材料方面考慮

永磁材料也是制約永磁同步電機(jī)性能提升的重要因素，目前常用的永磁材料釹鐵硼主要存在溫度穩(wěn)定性差、不可逆損失和溫度系數(shù)較高以及高溫下磁性能損失嚴(yán)重等缺點，從而影響電機(jī)性能。

驅(qū)動電機(jī)對于電動汽車來說相當(dāng)于發(fā)動機(jī)對于傳統(tǒng)汽車一樣是整個車的動力來源，他的重要性不言而喻，因此要想大范圍推廣電動汽車，這兩方面問題是當(dāng)前急需解決的。[3]

三、未來電機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展方向

未來電驅(qū)動主要特征有：集成化、模塊化、定制化、新材料，以實現(xiàn)電驅(qū)動高效率、高功率密度、高可靠性、低成本的愿景。

1.未來電機(jī)控制器的發(fā)展方向

新一代IGBT技術(shù)

IGBT功率半導(dǎo)體模塊是以低損耗、高頻率開關(guān)著稱，由多個IGBT芯片連接組成。在當(dāng)今能源短缺的時代，為了節(jié)能減排，國家出臺了很多關(guān)于能源消耗和環(huán)保的政策，這也使得各行各業(yè)都在依照國家標(biāo)準(zhǔn)和環(huán)保理念進(jìn)行改進(jìn)、研發(fā)，而IGBT模塊的節(jié)能、穩(wěn)定的優(yōu)點，使得其市場逐漸的開闊，也進(jìn)一步的促進(jìn)了IGBT模塊在電動汽車行業(yè)的發(fā)展。同時，因為電動汽車的驅(qū)動電機(jī)的功率較大，IGBT芯片能適應(yīng)大功率，這就使得IGBT芯片在電動汽車上的使用更加的合適和頻繁。

目前比亞迪在IGBT芯片技術(shù)已有重大成就。據(jù)比亞迪第六事業(yè)部產(chǎn)品總監(jiān)楊欽耀介紹，比亞迪所掌握的新一代IGBT4.0技術(shù)將帶來諸多技術(shù)參數(shù)的突破，甚至在諸多關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)上優(yōu)于當(dāng)前國市場主流產(chǎn)品。最核心的優(yōu)勢包括電流輸出能力提升15%、綜合功耗降低20%以及溫度循環(huán)能力提升至行業(yè)主流產(chǎn)品10倍以上。據(jù)悉，這一芯片技術(shù)在2017年研發(fā)成功，并于今年投入量產(chǎn)。[4]

2.未來驅(qū)動電機(jī)的發(fā)展方向

驅(qū)動電機(jī)對于電動汽車來講相當(dāng)于是它的肌肉組成，汽車的動力來源幾乎來自于驅(qū)動電機(jī)。就目前中國的新能源汽車的發(fā)展趨勢可知，驅(qū)動電機(jī)在國內(nèi)的需求量非常大。以下便是一種未來驅(qū)動電機(jī)發(fā)展趨勢。

輪轂電機(jī)

隨著汽車的新能源化，汽車的結(jié)構(gòu)更加簡單，簡單到只需要電池包和電機(jī)就可以替代傳統(tǒng)的發(fā)動機(jī)。但是對于傳統(tǒng)車輛來說，離合器、變速器、傳動軸、差速器乃至分動器都是必不可少的，而這些部件不但重量不輕、讓車輛的結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，同時也存在需要定期維護(hù)和故障率的問題。[5]由此，輪轂電機(jī)的概念就被提了出來。傳統(tǒng)電動汽車的傳動方案是把電機(jī)的輸出扭矩通過變速器和差速器等傳遞到車輪。輪轂電機(jī)的技術(shù)就是將電機(jī)裝在輪轂內(nèi)，不經(jīng)過任何機(jī)械結(jié)構(gòu)的傳遞，直接驅(qū)動車輪。

四、總結(jié)

經(jīng)過本次調(diào)研我們可以得出結(jié)論：電機(jī)控制器未來的發(fā)展一定要符合市場的需求規(guī)律，乘用車電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)對電機(jī)的驅(qū)動控制精度，操控性能，安全性和穩(wěn)定性等方面要求更高，隨著乘用車市場快速增長以及大型廠商在乘用車電控領(lǐng)域不斷投入硏發(fā)，未來有望逐步滲透進(jìn)乘用車市場。目前我國規(guī)?；a(chǎn)的電機(jī)控制器相比國外還比較落后，但將重點放在未來的乘用車市場將會有更好的效果。中國是世界工廠電機(jī)控制器的大規(guī)模制造將會帶來產(chǎn)品價格的優(yōu)勢，便宜耐用將會是未來我國電機(jī)控制器最大的優(yōu)勢。同時國內(nèi)相關(guān)企業(yè)也應(yīng)該迎合國家政策的走向，迎合大眾國民的確切需求，市場才是驅(qū)動技術(shù)革新的原動力。

參考文獻(xiàn)：

[1]竇汝振，李磊，宋建鋒.電動汽車用驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢.中國汽車技術(shù)研究中心.2018-07-02.

[2]閆茂德，龔賢武.電動汽車驅(qū)動與控制技術(shù).長安大學(xué).2019-02.

[3]厚勢.新能源汽車驅(qū)動電機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢分析.第一電動網(wǎng).

[4]中國又一高端芯片打破國際壟斷?電動汽車核心技術(shù)告別“卡脖子”時代.環(huán)球網(wǎng).2018-12-11.

[5]驅(qū)動視界.輪轂電機(jī)和輪邊電機(jī)，誰將主宰未來？.知乎.2018-11-26.

（作者單位：長安大學(xué)汽車學(xué)院）