電動(dòng)汽車電控系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀及其趨勢

臧超

安徽江淮汽車新能源乘用車公司 安徽 合肥 230601

電池技術(shù)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)及其控制技術(shù)、能量管理技術(shù)以及電動(dòng)汽車整車技術(shù)為電動(dòng)汽車四大關(guān)鍵技術(shù)。電控系統(tǒng)用于控制電池、電機(jī)等組件，其功能包括：電池管理，發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)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(yīng)系統(tǒng)、駕駛員意圖識(shí)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(yàn)才能掌握關(guān)鍵算法，尤其是混合動(dòng)力汽車涉及油、電混合的控制策略，技術(shù)壁壘較高。

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

電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)（包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)和電機(jī)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(dòng)特性決定了汽車行駛的主要性能指標(biāo)。

一般來講，電機(jī)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(yīng)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(duì)電機(jī)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(hù)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(jī)的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的控制算法。

（2）驅(qū)動(dòng)器（Driver）將微控制器對(duì)電機(jī)的控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng)功率變換器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并實(shí)現(xiàn)功率信號(hào)和控制信號(hào)的隔離。

（3）功率變換模塊（PowerConverter）對(duì)電機(jī)電流進(jìn)行控制。電動(dòng)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(yīng)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(dòng)汽車電機(jī)控制器多采用三相全橋電壓型逆變電路拓?fù)?，部分產(chǎn)品前置雙向DC/DC變換器，以增大電機(jī)端輸入交流電壓，提升高轉(zhuǎn)速下的輸出功率，降低電機(jī)設(shè)計(jì)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?fù)浜涂刂品椒ǔ蔀殡妱?dòng)汽車應(yīng)用研究的新熱點(diǎn)，但尚處于實(shí)踐探索階段。

目前電動(dòng)汽車用變流器的研發(fā)重點(diǎn)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(dòng)電機(jī)系統(tǒng)的三個(gè)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(jī)具有功率密度和轉(zhuǎn)矩密度高、效率高、便于維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)。目前電機(jī)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(jī)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(dòng)控制的數(shù)字化、驅(qū)動(dòng)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(hù)、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(gè)方面：①電機(jī)方面：電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)總成、電機(jī)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(dòng)、控制、傳感器、電源等）的集成化。未來把電機(jī)、減速機(jī)、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(biāo)準(zhǔn)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(duì)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(dòng)汽車電機(jī)控制器市場主要由國產(chǎn)品牌占據(jù)，外資產(chǎn)品因其價(jià)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(dòng)電機(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展較快，整體水平達(dá)到國際先進(jìn)水平。國內(nèi)整車匹配電機(jī)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(jī)

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(yīng)用方面，當(dāng)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(dòng)電機(jī)和電機(jī)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(dòng)電機(jī)方功率密度、效率等指標(biāo)，和國外先進(jìn)水平基本相當(dāng)。

以日產(chǎn)Leaf純電動(dòng)轎車為例，電機(jī)重量約為60Kg，峰值功率約為80Kw，作為對(duì)標(biāo)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(jī)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(shí)現(xiàn)該目標(biāo)，但是相較于國際最先進(jìn)的產(chǎn)品水平，在控制器的體積上相差一倍以上。

從電機(jī)本身角度來看，我國同國外企業(yè)在正向設(shè)計(jì)水平基本處于同一水平，同時(shí)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(jī)控制器

國內(nèi)的電力電子技術(shù)起步相對(duì)較晚，功率電子一直是制約我們國內(nèi)電機(jī)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(jī)控制器的集成技術(shù)。

因?yàn)檫@些技術(shù)的時(shí)間差，使得國內(nèi)電機(jī)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(jī)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(gè)差距縮小了很多。

（3）電驅(qū)動(dòng)總成測試評(píng)價(jià)

從電驅(qū)動(dòng)總成測試評(píng)價(jià)方面來講，主要分為電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)層面和關(guān)鍵材料與器件層面。在電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)層面，包括系統(tǒng)總成評(píng)價(jià)、功率標(biāo)定評(píng)價(jià)、帶載EMC評(píng)價(jià)、NVH評(píng)價(jià)和電安全性評(píng)價(jià)。

其中，對(duì)于功率標(biāo)定評(píng)價(jià)來說，功率密度的評(píng)價(jià)維度很多，需要對(duì)各種邊界條件進(jìn)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(yīng)用仍然較少，空載狀態(tài)與驅(qū)動(dòng)電機(jī)的實(shí)際運(yùn)行工況差異較大，將會(huì)導(dǎo)致測試結(jié)果的巨大差距。

驅(qū)動(dòng)電機(jī)的NVH特性和電安全性能等也是測試評(píng)價(jià)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(jī)都是電機(jī)業(yè)中的小分支，但是汽車電機(jī)制造門檻非常高，尤其是我國的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與國外驅(qū)動(dòng)機(jī)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(jī)巨頭對(duì)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。