新能源汽车驱动电机的现状与发展方向(pdf 7页).pdf

扣l 新能源汽车驱动电机的现状及发展方向 新能源汽车驱动电机的现状及发展方向 上海电驱动有限公司和上海大郡自动化系统工程有限公司访问记 S t a t u s F u t u r eD e v e l o p m e n to fN e wE n e r g yV e h i c l eD r i v i n gM o t o r AV i s i tt oS h a n g h a iE d r i v eC o L t d S h a n g h a iD a j u nC o I t d 撰文 豪彦 新能源乘用车驱动电机大都采用稀土永磁一磁阻同步电机 也是新能源乘用车驱动电机发展方向 R a r ee a r t hp e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o ri sa l w a y su s e di nn e we n e r g yv e h i c l ed r i v i n gm o t o ra n d i t sp l a y i n gad e v e l o p m e n tt r e n di nt h ef u t u r e 海市优秀学科带头人 国务院特殊津贴专家 中国电子学会高级会 员 中国电工技术学会 高级会员 1 9 9 8 2 0 0 7 1 年任I E E E 学会I A S I L 京 分会主席 现任上海汽 i 车电驱动工程技术研究 中心主任 上海电驱动 有限公司总经理 上海 安乃达驱动技术有限公 司董事长 新能源汽车驱动电机系统是 1 二七除能源储存系统 蓄电池 和控 制系统之外的又一关键零部件 最近 本刊记者就 新能源 汽车的驱动电机的产品型式 各自 优缺点 发展方向 以及新能源汽 车对驱动电机有哪些要求 驱动电 机的国内外差距等问题分别采访了 上海电驱动有限公司贡俊总经理和 杨锟副总工程师 以及大郡自动化 系统工程有限公司徐性怡总经理 上海电驱动有限公司于2 0 0 8 年7 月8 日由上海安乃达驱动技术 有限公司 中科院北京中科易能新 技术有限公司 宁波韵升股份有限 公司共同发起成立 公司集中国内 优势资源 主要从事新能源汽车电 驱动系统的研发 生产和销售 公 司目前已形成纯电动车 混合动力 车驱动电机 轮毂电机和辅助电 机等四个产品研发平台 完成了 三种系列化产品的自主开发 在 十 五 十一 五 8 6 3 电动汽车重大专项 和 节能与新 能源汽车重大项目 中承担 车用 多模式永磁驱动电机系统研发 和 车用永磁驱动电机制造工艺应用 研究 等课题开发 驱动电机的特殊要求 因为是安装在汽车这样一个空 间狭小而工作状态和环境又相对复 杂的可高速移动的消费品物体内 因此贡俊总经理如下简要归纳了新 能源汽车对驱动电机的要求 1 体积小 重量轻 2 在整个运行范围内的高 效率 3 低速大转矩特性及宽范围 内的恒功率特性 即使没有变速 器 电机本身也应满足所需要的扭 矩特性 4 高可靠性 在任何情况下 5 价格低 根据这些要求 产品必须满足 以下要求 电机电磁性能的优化 设计 热管理设计和冷却方式的 合理选择 相适应材料的应用 电机结构合理设计 满足车用工况的电机工艺 研究 都应确保具有高度的安全性 特别是汽车在运行过程中的工 表1 车用驱动电机与国外同类样机性能对比 表2 公司车用I S G 电机与国外同类样机性能对比 新能源汽车N E V N o 3 2 0 0 9 3 7 一 计重剐工 国车L 岛 一 t 臣 Z b走 a f 瓣 万方数据 S t a t u s F u t u r eD e v e l o p m e n to fN e wE n e r g yV e h i c l eD r i v i n gM o t o rI 星圆圈 况及路况比较复杂 对此整车厂需 表3 上海电驱动有限公司电机产品类型 要根据实际情况提出有针对性的电 机需求 从目前情况来看 公司生产的 驱动电机产品已经在新能源汽车上 无故障运行了4 年多 单车累计行 驶里程超过5 万公里 我国是电机制造及应用大国 有较好的工业基础 但对电动汽车 用电机 起步时间不长 尚需要从 汽车应用的角度人手 整车厂与电 机厂共同携手研究制造出满足汽车 专用电机 差距及其所表现的方面 为了比较清楚的说明公司产品 与国外同类样机性能的比较 杨锟 副总工程师提供了表1 和表2 性能对 比数据 与此同时 贡总强调指出 同国际先进水平相比 我国电动 车用电机的差距主要体现在以下 几个方面 1 电机控制器和D C D C 转换 器的体积 质量相对偏大 2 对车用环境适应性考核 不足 雄心勃勃的未来 尽管如此 贡俊总经理对公 司的未来发展规划仍充满了信心 他说 由于新能源汽车尚处于研制 开发和示范运行阶段 还是小批量 试生产 生产规模较小 今年仅具 有1 2 0 0 0 台套的生产能力 但到明 2 0 0 9 3 7 N o 3 N E V 麓能嚣汽车 年就具有5 0 0 0 0 台套的生产能力 2 0 11 年将达10 0 0 0 0 台套的生产能 力 目前 上海电驱动有限公司产 品开发的应用车型有纯电动轿车 燃料电池轿车 串联插电式混合动 力轿车 混合动力轿车 微型电动 轿车 混合动力客车等车型 产品 品种有驱动电机 I S G 电机和轮毂 电机 见表3 这些产品与奇瑞 华晨 华普 北汽 上汽 吉利 长安 一汽 玉柴等的新能源车都 有合作配套关系 在谈到稀土永磁同步电机 时 贡俊解释道 稀土永磁同步电 机效率高 永磁材料之本在于其三 大特殊性能 高剩磁 高矫顽力和 最大磁能积 2 0 世纪3 0 年代以后 铝镍钴永磁合金以其优异性能在很 长时间内占统治地位 2 0 世纪5 0 年代 铁氧体永磁材料投入生产 2 0 世纪7 0 年代以来 以钐钴合金 和钕铁硼合金为代表的第二代稀土 永磁合金的先后诞生 并在全世界 掀起了研究和探索新型永磁材料的 高潮 稀土永磁材料被广泛用于制造 汽车电机 传感器 磁推轴承 核 磁共振成像仪 电子仪表和磁选机 等 目前 正在研发新一代新型稀 土永磁材料 以求降低成本 提高 性能 日本的混合动力车是汽车行 业中稀土金属的最大用户 在回答记者提问混合动力车 和纯电动车 减速和制动时制动能 量回收 如何使驱动电机变为发电 机的问题时 杨锟副总工程师解释 说 由永磁无刷电机的工作原理可 知 只需改变同一磁极下定子电流 方向 就可改变电机输出扭矩的方 向 在保持电机转向不变的前提 2 1 万方数据 譬互羽l 新能源汽车驱动电机的现状及发展方向 下 通过改变定子电流的方向 相关连接 新能源汽车用驱动电 表4 四种驱动电机对比 使电机产生反向力矩 就可达到 机有4 种类型 直流电机 无刷 制动效果 而要改变定子电流方永磁电机 永磁同步电机和直流无 向只需改变三相逆变器功率管的刷电机 异步电机和开关磁阻电 导通顺序 机 四种驱动电机对比见表4 l 徐性怡 于19 8 2 年赴 美留学 1 9 9 0 年获得 美国威斯康辛大学电力 电子及电机驱动专业博 士学位 1 9 9 0 1 9 9 2 年 t 在羹国S q u a r eD 公司任 t 高级工程师 负责电机 驱动系统产品的开发设 计工作 1 9 9 2 2 0 0 2 年 在美国福特汽车公司任 高级技术专家 部门经 理 长期负责开发电动 汽车用电机驱动系统的 工作 并获得1 9 9 9 年度 福特公司最高技术成就 奖 亨利 福特技术 成就奖 2 0 0 2 年B 月回 国创业 现任大郡公司 总经理 乙 2 2 上海大郡自动化系统工程有 限公司成立于2 0 0 6 年9 月 地处上 海漕河泾国家级技术开发区浦江高 科技园区 现有员工8 0 人 多位核 心成员曾长期在美国留学并从事电 力电子 电动汽车的研发工作 该 公司主要产品为混合动力车 电动 车 燃料电池车的驱动电机系统 其基本经营思想是根据市场的需 要 采用适用的技术 尽快进入市 场 第一步是以国外的先进技术服 务中国市场 建立 完善 验证国 内电力电子产品的生产和质量管理 能力 第二步以国内低成本 高质 量产品进入国际市场竞争 新领域新认识 徐性怡总经理首先介绍了大郡 公司从2 0 0 3 年进入国家科技部8 6 3 项目以来 重点开发永磁一磁阻同 步电机及其控制系统 并对各类电 机进行了定性比较研究的情况 见 表5 徐性怡认为电动汽车和混合 动力汽车采用的电机系统主要有 三类 1 中 轻度混合动力汽车用 集成起动发电机 I n t e g r a t e dS t a r t e r G e n e r a t o r I S G 系统 主要是由一 个与发动机一体封装的I S G 电机 使发动机频繁起动 停止 以实现 发动机节能减排功能 这种解决方 案有一个显著的优点 即其结构简 单 对原来传统汽车的改动非常 小 而且对蓄电池没有太多新的要 求 因此成本比较便宜 而节油效 果也能达到1 5 左右 性价比比较 高 因此 采用I S G 系统的中 轻 度混合动力方案就成为了国内众多 汽车企业比较乐意采用的一种近期 的解决方案 日本本田和我国的长 安 奇瑞等公司的混合动力汽车即 采用了I S G 系统 2 牵引电机 T r a c t i o nM o t or T M 系统 牵引电机系统主要用 于纯电动汽车和强混合动力汽车 为车辆提供牵引动力 3 以上两类电机系统组合而 成的双电机系统 即一个集成起 动发电机 f S G 加一个牵引电机 T M 的组合 这种双电机系统可 用于强混合动力汽车 如丰田普锐 斯 一汽奔腾等 也可以用于增 程型 R a n g eE x t e n d e r 串联插电式 P l u g i n E 合动力汽车 如通用的 V O L T 等 双电机系统虽然结构较 复杂 成本也较高 但其节油效果 很好 尤其是串联插电式混合动力 车可通过晚上补电的方式大大减少 燃油消耗 使车主的运行成本大幅 降低 因此 双电机系统得到了各 大整车厂商的重视 他强调指出 汽车用电力电子 和高压大功率电机控制系统是一个 比较新的技术 上世纪9 0 年代末才 进入汽车应用领域 表6 表明了工 业应用与汽车应用对电机系统的不 同要求 认清差距与迎接挑战 在谈到我国驱动电机与国外 相比有哪些差距和面临的挑战的时 候 徐总凭着他丰富的国内外工作 阅历 做了非常到位的分析 他说 在性能方面 经过十多年的发展 尤其是国家8 6 3 电动汽车重大专项 的实施以来 可以说电动汽车用电 机系统获得了长足的进步 在其基 本功能和性能方面已经接近国际先 进水平 大郡公司开发的牵引电机 系统最高效率已经能够达到9 5 电机功率密度已达到1 3 k W k g 左 右 丰田大约在1 3 5 k W k g 一1 4 k W k g 因此在这方面差距不算大 但是在控制器层面上 我国牵引 电机的集成度水平尚处于丰田第 一代和第二代之间 大约在2 0 0 0 年 左右 与当今的丰田第三代相比 较 主要存在以下差距 首先 机电一体化集成度不 够 丰田已经把电机与变速器有机 地集成在一起 从而可以通过调整 速比进一步优化电机的输出功率和 尺寸 而我国则受制于变速器的工 业设计 制造能力 从而造成这方 面进展比较缓慢 尤其没有合适的 速比可达1 0 1 的电机减速器 其次 丰田利用其汽车制造 能力 改进传统电机和电力电子产 品的制造能力 比如他们的第三代 系统在控制器的散热方面利用了很 多汽车散热器技术 开发出了一套 高性能的散热系统 从而提高了集 成度 第三 丰田通过采用不同的电 力电子技术来改变传统电机控制系 统的构造 使得系统的效率进一步 提高 比如 在丰田第二代的T H S 双电机系统中 引进了一个大功率 的D C D C 转换器 使电机的母线电 压和蓄电池的母线电压可以分开 新麓翟汽车N E V N o3 2 0 0 9 3 7 万方数据 S t a t u s F u t u r eD e v e l o p m e n to fN e wE n e r g yV e h i c l eD r i v i n gM o t o rI 厦蜀墨 这样一方面使在把电机的母线电压 从3 0 0 V 逐步提升到了5 0 0 V 甚至 到6 5 0 V 从而大大提升了电机系 统的输出功率 另一方面解决了提 升蓄电池的电压 势必增加单体电 池串联的个数 从而有可能降低了 蓄电池系统可靠性的问题 徐总进一步说 由于我国新 能源汽车在示范运行阶段 产量 不大 因此造成在制造工艺方 面也有很大差距 手工绕线圈 手工装配等传统落后工艺比之 国外自动生产线大批量生产 其 产品生产一致性差 而导致可靠 性差 丰田之所以能够在比较短 的时间内连续推出三代产品 就 是因为有了一定规模的销售 使 其能够很快积累了实际应用中出 现的问题 并加以改进 中国的 电动汽车市场应该是世界上最大 的 对电动汽车和新能源汽车的 要求也是最迫切的 政府又给了 很多政策来推行示范运行 所以国 内的关键零部件供应商 包括电机 蓄电池 就有一个机会能够在政府支 持下尽快进入市场试用 然后再改 善 电机系统现在已经满足了试用 水平的要求 今后可以在2 3 年内 对自己产品重大缺陷进行针对性改 进 再加上在制造层面上 中国作 为世界制造工厂所具有的竞争力 因此相信我国的电机系统 蓄电 池等可以用一个比较快的速度接 近丰田的水平 此外 我国的电机性能和试 验标准大大落后于国外标准 同 时 试验设备缺少 也是造成我国 电机产品质量与国外有很大差距的 原因 徐总接着说 新能源汽车应用 的电机系统所面临的挑战主要有 1 封装尺寸 2 可靠性 3 电磁兼 容性 E M C 4 成本 为了满足封装的需求 要采取 高性能 高密度的电机技术 2 0 0 9 3 7 N o 3 N E V 新能潭汽率 为了满足可靠性的需求 必须 要强化可靠性设计和认证的能力 至于电动汽车的电磁兼容性 问题则较为复杂 因为电机系统 的电力电子控制器采用快速切换 高电压 大电流的开关技术 这 是一个很强的干扰源 而汽车本 身的电子部件众多 相互位置特 别接近 因此更易受到干扰 要 解决这个问题 需要经过长时间 的反复试验 积累经验 逐步完 善滤波与屏蔽设计 成本的挑战需要和整车制 造商 零部件供应商一起合作解 决 首先 要从整车对电机的设 计需求出发 不要过度设计 其 次 可以借鉴汽车工业所具备的 制造能力与经验 用于电机及控 制器的制造 以降低制造成本 当然 随着产量的上升 成本也 可望得到较快的下降 在谈到当前一个比较热门的 话题 关于国内有丰富的稀土资源 时 徐总说大郡公司生产的永磁一 磁阻同步电机 是在永磁同步电机 的基础上增加了磁阻转矩 有助于 提高电机的过载能力和功率密度 易于弱磁调速 扩大恒功率范围 永磁一磁阻同步电机代表了电动汽 车用驱动电机发展方向 如丰田 本田 通用 福特等都采用了这种 技术 表5 满足新能源汽车要求的思路 最后 徐性恰就如何满足新能 源汽车对驱动电机系统要求的问题 概括了以下几点 首先 要细化 优化设计需 求 即要根据整车产品的实际需要 来确定电机系统的设计 产品设计 要能够满足用户对产品的期望需 求 既不能设计不足 也不要过度 设计 虽然在实践中很难做到完 美 但是在实际工作中要尽量与整 车客户共同分析电机系统的最恶劣 工况 例如电机输出力矩最大值和 最高工作环境温度的确定等 这都 是决定电机及控制器大小和成本的 关键指标 第二 要做系统的设计优化 电机控制系统主要由电力电子控制 器和电机组成 这会涉及很多的参 数 因此需要做一个系统的优化 例如在设计电机驱动系统时 要研 究确定是直接驱动 或是用电机加 一个减速器方案 因为在输出功率 相等的情况之下 如果电机转速越 2 3 万方数据 墨E 玎l 新能源汽车驱动电机的现状及发展方向 高 力矩就越小 尺寸也就越小 成本就越低 因此采取直驱结构 节省了减速器 那么系统就简单 了 但如果是一个低速大扭矩电 机 成本会较高 反之如果采用减 速器 虽然电机的体积和成本下来 了 但增加了减速器 孰优孰劣需 要根据具体情况决定 另外 是控制器与电机之间的 取舍 在某些场合下 电机的封装 尺寸是最难解决的问题 那么采用 小电机 大控制器的设计也是一个 可供选择的方案 总之 需要根据设计需求 以 及由此所引发的一系列设计限制 对整个系统进行优化设计 以满足 各方面的需要 第三 强化 优化设计与认 证测试能力 尤其是对可靠性设计 与认证能力 大部分时候过度设计 是由于对可靠性的判断不清而造成 的 比如散热问题 当不知道设计 的散热能力够不够用的时候 很可 能为了保证产品的安全运行而设计 一个很大的散热系统 这就提高了 成本 但是设计与认证测试能力不 可能一蹴而就 大郡公司是经过了 2 0 年电动汽车电机系统的开发与设 计 才积累比较丰富的经验 第四 在降低制造成本方面 大郡公司结合国外先进的质量管 控理念和手段 利用国内已经成熟 大郡公司生产的 的低成本制造工艺 并结合优化的 牵引电机 变速器 设计 从而使得整体成本具有竞争 力 特别是在满足电机驱动系统的 性能要求方面 因为具有 几年国 外的工作积累和国家8 6 3 项目七年 多的锻炼 其设计的电机水平已接 近世界先进水平 而且设计的电机 是基于中国的材料和制造工艺 因 此在成本上有优势 电机最高系统 效率都在9 3 9 5 接近世界先 进水平 电机驱动系统产品四大系列 经过国家科技部 8 6 3 电动汽 车重大专项 节能与新能源汽车 专项 的经验积累 大郡公司已形 成四个电机系统产品系列 1 中度混合动力轿车用I S G 系 统 目前主要应用在长安杰勋混 合动力轿车上 2 0 0 8 年6 9 月装配 大郡公司驱动电机系统的杰勋车 服务于奥运会 2 0 0 8 年12 月 科 技部 十三城千辆计划 在重庆 首批1O 辆杰勋车交付重庆市政府 销售 2 0 0 9 年6 月 杰勋l S G 混合 动力轿车上市销售 其配套驱动 电机的电压为1 0 5 1 9 0 V 峰值功 率为1 5 k W 峰值扭矩为11 0 N m 最高转速为6 5 0 0 r m i n 系统效率 9 0 扭矩控制精度 3 2 强混合动力车用双电机 系统 为东风蓝鸟 风行混合动力 轿车配套 至今已完成1 0 万k m 道 路试验 为一汽奔腾强混合动力轿 车配套 已参与2 0 0 8 年奥运会示 范运行 并将服务于今年达沃斯 峰会 大郡公司为东风 一汽配 套双电机为皮带驱动起动发电机 B S G 和驱动电机 T M 有两种 皮带驱动起动发电机持续功率为 3 k W 峰值功率为7 k W 峰值扭矩 为5 6 N m 最高转速为9 0 0 0 r m i n 系统最高效率9 0 5 0 0 0r m i n 15Nm 驱动电机 牵引电机 持续功率为2 2 k W 峰值功率为 2 8 k W 峰值扭矩为1 5 3 N m 最高 转速为6 0 0 0 r m i n 系统最高效率 9 2 3 0 0 0 r m i n 6 0 N m 3 纯电动 燃料电池车用驱动 电机系统 已用于上海大众帕萨特领驭燃 新麓瀑汽车N E V N o3 2 0 0 9 3 7 万方数据 S t a t u s F u t u r eD e v e l o p m e n to fN e wE n e r g yV e h i c l eD r i v i n gM o t o rl 厦圆圈 料电池轿车2 0 辆用于奥运会示范运 行 为东风混合动力越野车提供样 机 大郡公司稀土永磁 磁阻同步 电机持续功率为4 5 k W 峰值功率 为9 0 k W 峰值扭矩为2 1 0 N m 最 高转速为12 0 0 0 r m i n 系统最高效 率9 3 系统高效区范围 效率 8 5 为8 4 4 客车用大功率双电机系 统 用于上汽申沃混合动力城 市客车上 采用大郡公司稀土永 磁一磁阻同步电机 电压范围 2 8 0 4 2 0 V IS G 电机持续功率 2 0 k W 峰值功率为3 0 k W 峰值扭 矩为3 0 0 N m 最高转速为3 0 0 0 r m i n 系统最高效率9 2 扭矩控 制精度 5 驱动电机 牵引电 机 持续功率4 0 k W 峰值功率为 8 0 k W 峰值扭矩为5 5 0 N m 最高 转速为8 0 0 0 r m i n 系统最高效率 9 2 扭矩控制精度 5 目前大郡公司有驱动电机性 能试验台和耐久试验台 可靠性 试验台 高低温一4 0 0 C 15 0 0 C 高低温交变湿热试验台和三维振 动试验台 随着生产批量扩大 新添置的可靠性试验台可将驱动 电机在工作状态下 加载 旋转 进 行可靠性试验 相关链接1 大郡团队的创业历程 2 0 0 2 年1 0 月 与武汉精伦 电子公司合资成立上海鲍麦克斯电 子科技有限公司 产品为工业缝纫 机伺服电机系统产品 2O O3 年4 月 承担 十五 国家科技部8 6 3 电动汽车 重大专项 2 0 0 5 年9 月 上海御能动力 科技有限公司成立 从事工业伺 服电机和电动汽车用电机系统的 开发 2 0 0 6 年9 月 对大郡公司进 行增资改组 以汽车业务为主业 2 0 0 9 3 7 N o 3 N E V 新麓瀑汽车 御能以工业伺服电机为主业 2 0 0 6 年1 2 月 大郡公司承担 国家 十一 五 8 6 3 节能与新能源 汽车重大项目 与一汽 东风 上 汽 长安建立紧密合作关系 2 0 0 8 年9 月 大郡公司配套 驱动电机系统的长安 一汽 上汽 等整车厂新能源汽车奥运示范车成 功服务奥运 2 0 0 9 年