电动汽车用电机及其控制系统的应用与发展

电动汽车用电机及其控制系统的应用与发展

ApplicationandDevelopmentTrendofMotorControlSystemsforEVandHEV徐性怡博士上海大郡自动化系统工程有限公司Dr.XingyiXuShanghaiDAJUNTechnologies,Inc.内容提要Outlines电动汽车的发展趋势以及对电机系统的要求

EV/HEVtrendandrequirementforelectricdrivesystems电动汽车用电机系统技术及其发展趋势

Descriptionanddevelopmenttrendinelectricdrivesystems电动汽车用电机系统面临的挑战与对策

Challengesandsolutionsforelectricdrivesystems大郡简介

BriefoverviewofDajun中国电动汽车的发展前景

EV/HEVinChina历史性机遇HistoricalOpportunities汽车动力电气化已成为汽车技术发展的趋势

PowertrainElectrificaitonistrendforfuture“节能减排”的国策鼓励电动汽车及混合动力汽车的大发展

EnergySavingandEmissionReductionisChina’sLongTermNationalPolicy电动汽车发展所面临的挑战ChallengesforEV/HEV电动汽车技术仍有待于完善，尤其是关键零部件如电池和电机制约了电动汽车的发展进程；

LimitedbyKeyComponentssuchasbatteriesandmotordrivesystems电动汽车市场受到产品可靠性、成本等因素的制约，需要一段成长周期

ReliabilityandcostofEV/HEVproductsareofconcerntoconsumers消费者对新能源汽车的积极性受油价的影响

ConsumeracceptanceofEV/HEVisinfluencedbyoilprice市场将在未来3-5年逐步上量

Therewillbe3-5yearsbeforethemarketreallyrampsup混合动力系统实现方案

ExamplesofHEVSystemsBatteryTrans.ISGIPUMildHEVBatteryTrans.TractionMotorISGIPUSeriesHEV/Plug-inBatteryTrans.TractionMotorISGIPUParallelHEV/Plug-in电动汽车应用对电机系统的要求

EV/HEVRequirementsforElectricMachines

结构紧凑、尺寸小CompactinSize重量轻LightinWeight可靠性高HighReliability效率高HighEfficiency低噪声、低震动Lowaudiblenoise,LowVibration调速范围宽WideSpeedRange成本低LowCost汽车电机与普通工业电机之比较项目工业应用汽车应用封装尺寸空间不受限制，可用标准封装配套各种应用布置空间有限，必须根据具体产品进行特殊设计工作环境环境温度适中（-20~+40oC);静止应用，震动较小温度变化大（-40~+105oC);震动剧烈;可靠性要求较高以保证生产效率很高以保障乘车者安全冷却方式通常为风冷（体积大）通常为水冷（体积小）控制性能多为变频调速控制，动态性能较差需要精确的力矩控制，动态性能较好功率密度较低（0.2kW/kg）较高（1–1.5kW/kg）总体性价比一般极高：既要性能好，又要价格便宜MotorSensorPowerElectronicConverterDigitalControl汽车电机系统的构成和工作原理

AutoElectricDriveSystemDescription

Battery-VinVinVo常用交流无刷电机类型

CommonTypesofACMotorsAxByzCNS感应电机技术成熟成本较低恒功率调速范围宽效率较高体积较大开关磁阻电机结构简单恒功率调速范围宽效率与感应电机类似噪声大体积比较大永磁电机体积小效率高恒功率调速范围不宽电机技术发展趋势：永磁-磁阻同步电机

PM-ReluctanceSynchronous(PMRS)MotorNS+永磁-磁阻同步电机的特点：

PMRSMotorFeatures:弱磁容易，调速范围宽

Capableoffieldweakening,wideconstantpowerrange效率较高

Highefficiency力矩密度较高

Hightorquedensity结构复杂，优化设计较难

Hardtodesign由于饱和非线性，控制复杂

Controlcomplexity动力总成趋势：电机与变速箱的优化组合

OptimalCombinationofMotorandGears电机尺寸取决于峰值力矩（而不是功率！）以及电机的散热能力

ThemotorsizeisdeterminedbytheTORQUE(notthepower!)andthemotorcoolingsystemcapability.根据实际应用需要优化配置电机与变速箱（减速机）组合

Systemoptimizationcanbeachievedthroughmotor/gearcombination

速比1:1

速比2:1rpmTorque丰田混合合动力系系统的改改进Size/WeightReductioninToyota’’sHEVsystem通过采用用减速齿齿轮，在在电机尺尺寸基本本不变的的情况下下，其功功率增加加了2.5倍PriusRX400/CamryHVPeakTorque：400Nm333NmMaxRPM600012400PeakPower50kW123kW电力电子子控制器器发展趋趋势TrendinPowerElectronicsController新控制器器拓扑结结构Newtopology逆变器+大功率DC/DC高集成度度HighlevelofintegrationISG控制器+牵引电机机控制器器+DC/DCIntegrationofISGcontroller,tractionmotorcontrollerandLowvoltageDC/DC电力电子子控制器器与电池池管理模模块集成成MotorcontrollerintegratedwithBatteryModule热管理集集成设计计Thermalmanagement新器件NewComponents高集成度度、智能能型汽车车等级IGBT模块HighlyintegratedIGBTModulewithautograde薄膜电容容Thinfilmcapacitors丰田混合合动力系系统PCU的改进Size/WeightReductioninToyota’’sPCUsystem通过提高高集成度度，改进进散热板板设计，，丰田大大大减小小了其电电力电子子控制器器（PCU）的体积积与重量量ToyotaachievedsubstantialvolumeandweightreductionthroughhigherlevelofintegrationandthermalmanagementsystemenhancementRX400GS450ImprovedVolume：30Liters11Liters63%Weight35kg20kg43%电动汽车车用电机机系统所所面临的的设计挑挑战：DesignChallengesforEV/HEVMotorDriveSystems整车重量量和封装装尺寸：：Vehicleweightandpackagingsizeconstraint采用永磁磁-磁阻电机机UseofPM-ReluctanceSynchronousmotor可靠性和和耐久寿寿命设计计：Reliabilityanddurabilitydesign汽车应用用的恶劣劣环境：：Harshoperatingconditions高温及宽宽温差循循环HighTemperatureandwiderangetemperaturecycling剧烈的震震动SevereVibration需要充分分理解最最差工况况以及电电机、电电力电子子器件的的能力限限制Fullyunderstandtheworstcaseconditionandlimitationsofmotorandpowerelectronicscomponents电磁兼容容设计：：EMCDesign需要从零零部件到到整车各各层次进进行统筹筹设计WorkatVehicle,system,andcomponentleveltolimitEMI设计认证证：DesignValidation加速寿命命试验Acceleratedlifetesttovalidatethedesign成本挑战战ChallengeinCostReduction电机系统统成本是是电动汽汽车/混合动力力汽车市市场化的的重要障障碍之一一TheE-drivesystemcostisamojorobstacletothecommercializationofHEV,plug-inHEV,batteryEVandFCEVEV/HEV动力系统统成本构构成；MajorcostcomponentsofanE-drivesystem电池或燃燃料电池池；Batteryorfuelcell电力电子子；Powerelectronics(inverter,controller,andsensor)电机；Motor减速器/变速箱；；Gearbox需采用系系统方法法削减成成本Systematicapproachisneededtominimizethesystemcost,notindividualcomponentcost.削减成本本的途径径ApproachestoReduceCost系统优化化设计；；SystemOptimization避免过设设计；Avoidoverdesign提高集成成度；Increaseintegrationlevel(e.g.motorandtransmission,InverterandDC/DC,etc.)制造；Manufacturing借用汽车车制造能能力提高高电机及及电力电电子系统统的制造造效率Introduceautomotivemanufacturingknow-howintomotorandpowerelectronicsmanufacturingprocesses增加产量量；IncreasethevolumeofEV/HEVMotorDriveSystems整车客户户之间分分享共同同的供应应商资源源Sharesupplierbaseamongautocompanies与工业应应该分享享零部件件资源Sharecomponentswithotherindustryandapplications政府在市市场起步步时提供供资助GovernmentincentivestoincreasethemarketpenetrationofEV/HEV上海大郡郡公司简简介AboutShanghaiDajun地处上海海漕河泾泾国家级级经济技技术开发发区浦江江园区LocatedinShanghaiCaohejingDevelopmentZone以混合动动力/电动汽车车用电机机系统为为主业BusinessFocus:ElectricDrivesforEV/HEV从2003年起承担担国家863重大专项项Participate863EVprojectsince2003新办公地地照片大郡电动汽汽车电机系系统产品平平台Dajun’sEV/HEVMotorDrivePlatform混合动力乘用车ISG系统

ISGSystem大功率电机系统

HighPowerSystemForBuses混合动力乘用车双电机系统

DualMotorSystem电动汽车牵引电机系统

EVTractionDrive成功参与2008奥运会新能能源汽车示示范运营配有大郡牵引电机系统的上海大众燃料电池轿车配有大郡ISG系统的长安杰勋牌混合动力轿车配有大郡双电机系统的一汽强混合动力轿车强混合客车车用双电机机系统DualMotorSystemforFullHEVBus2022/12/2520混合动力系系统主要功功能MainFeaturesoftheSystem柴油机与ISG互补叠加的的混合动力力发动机总总成IntegratedDieselandISGsubsystem一体集成的的变速箱与与牵引电机机总成Integratedtractionmotorandtransmissionsubsystem包括大功率率DC/DC的电力电子子总成Integratedpowerelectronicunitincludingmotorinverters,highpowerDC/DC,andlowvoltageDC/DC电动汽车/混合动力汽汽车正在成成为汽车工工业未来的的主流动力力系统技术术EV/HEVisbecomingamainstreampowertraintechnologyforaut