电动汽车驱动电机系统研发及其产业化现状与发展.doc

电动汽车驱动电机系统研发及其产业化现状与发展 1.电动汽车科技发展“十二五”专项规划 图1为电动汽车科技发展“十二五”专项规划项目布局。从整车到零部件，标准、基础设施等都包括在内。从总的规划来看，整个科技规划经费为50亿元人民币，863项目为30亿元人民币，现在科技部已经启动了23个项目。除了过去正常的科技项目以外，还增加了一些如合作项目和科技平台项目等。整个国家各部委对这些都非常支持。不仅仅是原来意义上的技术攻关，还涉及到技术产业上的事情。 2.电动汽车对驱动电机系统的基本要求 电动汽车对驱动电机系统与传统电机有比较大的差异。和传统的电机相比，可靠性和环境适应性是原来电机不太关注的东西。另外从成本概念上来看，电动汽车用电机比工业电机和其它行业的电机的要求更高。电动汽车对驱动电机系统的基本要求有：高密度、小型轻量化；高效率；高扭矩和宽调速；可靠性、耐久性、适应性；低噪声与低成本(见图2)。表1为车用驱动电机和工业电机的性能比较。 经过我国两个五年计划的支持，一些技术领域还是取得比较大的进展，如振动、噪声、高低温等。尽管我国是一个电机大国，但原来真正做电机的企业很少，主要是以模仿为主，目前在这个领域里电机设计用得比较多的有两个软件，从本身软件应用来看，国内电机正和世界同步进行。 基于多领域分析、多层面集成优化的先进电机设计理论与实施方法是运用高密度电机极限能力设计的机、电、磁、热多领域精确分析方法，解决电机单元、电力电子单元、集成优化交叉耦合仿真的深层次技术难题。 3.高密度宽调速IPM永磁电机设计技术 (1)采用超短端部的极槽配合，减小了绕组端部，提高了电机效率，同时兼顾扭矩脉动降低噪声； (2)采用高扭矩密度和高机械强度的磁路结构，充分利用永磁电机的永磁扭矩和磁阻扭矩，提高电机综合性能和可靠性，降低加工成本，有利于大批量生产。 4.高密度电机系统的导热与散热、热管理技术：形成电机与驱动器一体液冷技术，外水冷+内油冷电机的热传导、电绝缘与密封结构的综合技术，电机功率密度提高20%，相同工况下的电机温升降低30%，提高了电机温度适用范围。 5.电力电子集成控制器设计：采用电力电子集成技术，将膜电容器、直接封装式的功率器件以及低热阻的散热器、小型化控制电路等关键部件高度集成，进行电力电子集成控制器设计。与国际上差距比较大的是控制器的总成。 6.永磁电机多模式矢量控制技术：针对车用电机的高动态响应、恒功率宽调速要求，采用多模式矢量控制技术，重点解决永磁电机高速弱磁稳定性和精确的扭矩控制技术、高效能量回馈控制区域的拓宽技术等研究。实现了全速度范围内的扭矩精确控制，控制精度达到23Nm，调速范围宽，电机系统峰值效率达到94%，大于85%的高效区大于50%。 7.高密度永磁电机定子制造工程技术：永磁电机定子成型线圈技术与定子拼块技术可实现机械化生产，大大提高定子绕线的生产效率，降低了铜耗，降低了生产成本。 电机制造成本一旦批量生产，必须自动化生产。由于电机体积比较小，功率密度要高，一般性工艺做自动绕线比较难，会有比较大改善。乘用车驱动电机采用永磁电机。不论欧洲、美国、日本乘用车都采用永磁电机。 8.永磁电机多极转子整体充磁技术：永磁电机的整体充磁技术可大大提高电机装配效率，便于维修，降低生产成本。 表2是国内电机和国外比较典型的车用电机比较。从功率密度指标来看国内基本上和国外在同一水平上，但并不意味着可以平级，主要体现在耐久性、一致性上。实际上我国863项目还提了一些标准。其中包括电动汽车电机系统国家标准制修订工作：电动汽车驱动电机系统技术条件国家标准的修订；电动汽车驱动电机系统试验方法国家标准的修订；电动汽车电机系统可靠性试验方法国家标准的制定。电动汽车电机系统行业标准制修订工作：电动汽车驱动电机系统机械接口与电气接口行业标准制订；电动汽车驱动电机系统故障分类和判断行业标准的制订。 国内、国外的车用电机研究趋势 “十二五”电机产业发展将围绕我国电动汽车发展的三大需求和电动汽车动力系统平台“一体化”战略，将电机、发动机、变速器等车载动力系统集成化，以电驱动系统对整车进行配套。 1.车用电机系统技术研发布局主要包括：面向下一代纯电驱动系统技术,突破需求的电机系统技术；面向纯电动汽车大规模商业示范需求的电机系统技术；面向混合动力汽车大规模产业化需求的电机系统 技术。 2.技术路线 1.电驱动系统(见图3) 2.电机及其驱动系统(见图4) 3.混合动力发动机(见图5) 4.机电耦合传动总成(见图6) 3.发展路径 针对纯电驱动和混合动力汽车两种应用平台，解决关键技术，通过三种基础产品的科技攻坚，实现跨越发展，并在此基础上，通过集成创新，在电机领域形成符合我国电动汽车现实发展需要、有国际竞争力的三类有典型意义的重大产品(机电耦合传动总成、电力电子总成和混合动力发动机总成)。 (1)机电耦合传动总成 通过变速调节内燃机的工作点，通过减速或者变速调节电机的工作区间来实现内燃机功率和电功率的分流和汇合。对乘用车来说每个公司的技术路线都有差异。 对电力电子总成来说，目前越做越小，尽管技术上很复杂，难度也比较大，但是成本比原来要低。国内也有一些研究机构做了实验室的产品，主要的指标一个是体积功率密度，一个是重量功率密度。当时“十二五”规定的混合电力电子集成技术是功能集成(包括DC/AC+DC/DC等)和物理集成(功率模块、驱动电路、无源器件、控制电路、传感器、电源等)。核心集成技术有高集成度智能驱动的功率模块、新型薄膜电容与叠层母排一体化技术、高温/高换热系数热管理技术和电、磁、热、机集成仿真技术。 科技部“十二五”“863”计划电动汽车科技专项中提出的指标 1.混合动力汽车电机系统指标(见表3) 2.混合动力专用发动机及总成指标(见表4) 3.混合动力车辆用电机电耦合动力总成指标(见表5) 4.纯电动汽车电机系统技术指标(见表6) 5.下一代纯电驱动系统关键技技术指标(电力电子总成)(见表7) 6.下一代纯电驱动系统关键技技术指标(机电耦合动力总成系统)(见表8) 表7 下一代纯电驱动系统关键技术指标电力电子总成 高密度轻量化轮毂电机技术 为适应国际社会节能环保的要求，电驱动技术将会在今后的交通运输领域拥有广阔的发展前景。高密度电机体积小、功率密度高、轻量化、效率高、磁场控制能力强、节约能源，适应我国能源紧张形势。电机驱动控制系统安全可靠运行，具备完善的最大扭矩/电流控制策略，解决了电机冷却与导热的关键技术，并进行了电磁优化设计，减小损耗，提高效率，应用前景广阔。 通用汽车轮毂电机技术：轮毂电机可以直接安装在汽车的车轮上，它能为汽车提供瞬时的扭力，同时大大提高动力效率。以通用汽车“轮毂电机”试验车雪佛兰S-10四缸混合动力皮卡车为例：在其两个后车轮内分别安装一台这种特殊的电机后，其所产生的扭矩将相当于一般V6发动机所产生的扭矩，而要比普通的雪佛兰S-10四缸混合动力皮卡车高出60%。安装在后轮轮毂内的两台电机，每台给每个车轮增加的重量只有约15kg，却可产生约25kW的功率。 通用汽车的轮毂电机显著优点有：消除了传动系统损失、谐振和齿轮齿隙；无齿轮-无噪声；电机能消除内燃机换档时扭矩波动从而提高驾驶舒适性；扭矩更大；提高车辆操纵性，具有全轮驱动和稳定性控制能力，可独立地、选择性地控制每个车轮的扭矩；改进质量分配从而提高操纵性和驾驶舒适度；广泛适用于任何轮式车辆。 通用轮毂电机由通用汽车高级技术研发中心研制，下一步是减轻轮毂电机重量和改善其耐久性。目前，轮毂电机成本和耐久性已接近或达到四轮驱动系统水平，成为新一代汽车不可或缺的重要组成部分。 目前国内外一些电动汽车已采用轮毂电机。 米其林主动车轮技术：米其林轮胎公司于2008年发明了主动车轮技术应用在电动汽车上，所有关键部件已集成在车轮上(见图7)。主动车轮包括驱动电机、集成式悬架系统、盘式制动器等。米其林主动车轮驱动集成电机的动力始终是电力，无论是来自锂离子蓄电池还是其它类型的蓄电池(例如燃料电池或者超级电容器)。在各种情况下，这些动力来源都提供了两种重要的利益：零污染和最佳的舒适度。另外，电能传动系统极为安静。 米其林主动车轮极大地简