電動汽車電動機(jī)驅(qū)的選擇

PAGEPAGE9電動汽車電機(jī)驅(qū)動的選擇劉劍開，桂林電子科技大學(xué)電子工程與自動化學(xué)院，廣西區(qū)桂林市541000摘要：在電動汽車的研究中，驅(qū)動控制技術(shù)是制約其發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。在電池技術(shù)未取得突破的背景下，電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的研究成為電動汽車技術(shù)研究的主要熱點(diǎn)。對電動汽車驅(qū)動控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)，不但能夠優(yōu)化電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)效率，滿足對電機(jī)控制的要求，而且可以通過與能量系統(tǒng)的相互補(bǔ)充，相互協(xié)調(diào)，提高了電動汽車的行駛里程，這對電動汽車的商業(yè)化推廣和應(yīng)用有著重要的意義。關(guān)鍵詞：電動汽車，電機(jī)，驅(qū)動MotordriveforelectricvehiclesLiuJiankai,Collegeofelectronicengineeringandautomation,GuilinUniversityofElectronicTechnology,GuangxiDistrict,Guilin,541000Abstract:IntheresearchofEV(ElectricVehicle)，itsdevelopmentisrestrictedbydrivingcontroltechnique．Becauseofnothavinggotabreakthroughinbatterytechnology,theresearchofmotordrivingsystemhasbecomethemainfocusinthestudiesofEV．Tothedrivingcontroltechnicalresearch,itwasnotonlytooptimizedrivingsystemefficiencyofEV,andsatisfytheneedofdrivingsystemofEV,butalsotolengthenthetravelmileagebycomplementingandharmonizingeachotherbetweenthemotorcontroltechniqueandenergysystem，allwhichhaveimportantmeaningtothecommercialexpansionandapplicationofEV．KeyWord:LectricVehicle,Motor,Drive劉劍開，男，1991年8月8日出生，出生于湖南省邵陽市隆回縣，桂林電子科技大學(xué)在校研究生，專業(yè)碩士，現(xiàn)研究汽車電子方向。1.引言隨著燃油汽車保有量的不斷增長，汽車給人類帶來了環(huán)境污染和石油資源短缺等一系列問題[1]。電動汽車因具有低噪聲、零排放、綜合利用能源等突出優(yōu)點(diǎn)，成為當(dāng)今汽車工業(yè)解決能源和環(huán)保等突出問題的重要途徑。電動汽車驅(qū)動控制技術(shù)是制約其發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。全球汽車動力系統(tǒng)技術(shù)革命在哪里？從資源能源來分析，進(jìn)而考慮能量的載體，最后得出結(jié)論：汽車動力的電氣化是一個必然的趨勢。電動汽車的種類電動汽車基本上分為三類，第一類是完全由蓄電池推進(jìn)的純電動汽車；第二類是混合動力電動汽車，它的動力來自兩個途徑，一個途徑是由發(fā)動機(jī)提供的，另外一個途徑是由電動機(jī)提供的；第三類是燃料電池電動汽車，它在驅(qū)動方面是電能驅(qū)動，但是能量的載體是燃料電池——H2。2.電動汽車驅(qū)動技術(shù)及其發(fā)展趨勢典型的電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)，由電池供電給逆變器，通常會有一個變速箱來帶動整個車輛。這個控制系統(tǒng)帶有傳感器，控制器現(xiàn)在都發(fā)展成數(shù)字化，電動機(jī)的變化不是很多。與工業(yè)應(yīng)用相比，汽車應(yīng)用是個不同的概念。工業(yè)應(yīng)用空間不受限制，用標(biāo)準(zhǔn)封裝模式來應(yīng)用還是可行的，但是對于汽車應(yīng)用來講，空間是有限的，每一套系統(tǒng)都根據(jù)特定車型來訂制，尤其混合動力汽車體現(xiàn)非常明顯。在可靠性方面，工業(yè)應(yīng)用可靠性很高，但是不管從哪方面講，工業(yè)應(yīng)用的等級還是不如汽車應(yīng)用，因?yàn)樗麄兊哪康氖遣煌?。在工業(yè)應(yīng)用中，主要是保證應(yīng)用效率的可靠性，但是在汽車應(yīng)用中，電動機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的可靠性涉及到乘車者的安全，所以可靠性要求非常高。冷卻方式上工業(yè)應(yīng)用是風(fēng)冷，汽車應(yīng)用是水冷?？刂菩阅芊矫婀I(yè)應(yīng)用多為變頻調(diào)速控制，其動態(tài)性能差，而汽車應(yīng)用里，需要精確的力矩控制，動態(tài)性能好。目前車用電驅(qū)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢主要有永磁化、數(shù)字化和集成化。永磁磁阻電動機(jī)效率高，比功率較大，功率因數(shù)高。數(shù)字化是電驅(qū)驅(qū)動系統(tǒng)的核心。電動機(jī)系統(tǒng)集成有兩種方式，一種是電動機(jī)跟發(fā)動機(jī)結(jié)合，一種是電動機(jī)跟變速箱結(jié)合[2]。還有一種趨勢是做電力電子的集成，現(xiàn)在驅(qū)動控制器產(chǎn)品中，國際最高水平是17.2kW。采用混合電力電子集成技術(shù)，核心是采用高功能集成模塊，采用新型薄膜電容一體化的技術(shù)[3]。當(dāng)前中國新能源汽車中用驅(qū)動電動機(jī)和電控技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀可以這樣歸結(jié)：掌握了核心技術(shù)，但處于小批量生產(chǎn)。全世界真正做到大批量生產(chǎn)的只有豐田一家。3.車用永磁電動機(jī)驅(qū)動控制技術(shù)擁有TMS320LF2407和TMS320LF2812兩個控制硬件平臺。軟件平臺采用數(shù)字化矢量制技術(shù)，具有如下特點(diǎn)[20]：①具有多種控制模式，轉(zhuǎn)矩控制、轉(zhuǎn)速控制和功率控制；轉(zhuǎn)速控制精度恒轉(zhuǎn)速≤±20r/min，恒力矩控制精度±5%Tn(Tn是產(chǎn)品額定力矩)；轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度<0.3ms。②具有上電自檢功能，能夠進(jìn)行弱電系統(tǒng)和IGBT強(qiáng)電系統(tǒng)的檢測，并記錄故障信息。③具有參數(shù)在線整定功能，可以通過上位機(jī)編程控制修改DSP中的控制參數(shù)，如采樣周期、PI參數(shù)等。④具有軟件保護(hù)功能、超速保護(hù)、過溫保護(hù)、堵轉(zhuǎn)保護(hù)和過載保護(hù)等，能夠根據(jù)采樣智能判斷工作狀態(tài)，分辯干擾信號與真實(shí)保護(hù)信號。⑤能夠自動判斷采樣的精度，根據(jù)誤差動態(tài)的進(jìn)行誤差修正。⑥具有故障診斷功能，并通過總線反饋到上位機(jī)[4]。在高速弱磁控制方面，可以達(dá)到1:10的恒功率區(qū)，適合于寬調(diào)速范圍的調(diào)速系統(tǒng)。具體性能如下[5]。①適用于多種場合的異步、永磁電動機(jī)，實(shí)現(xiàn)寬恒功率區(qū)的調(diào)速，實(shí)現(xiàn)精確的功率控制，恒功率≤±5%Pn(Pn是產(chǎn)品額定功率)。②動態(tài)性能好，調(diào)節(jié)速度快，能夠在0.5ms內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定。③可穩(wěn)定控制最高頻率達(dá)1500Hz。④高速位置角動態(tài)修正，角度誤差<5deg?；陔p機(jī)械端口電機(jī)的電力無級調(diào)速系統(tǒng)利用雙機(jī)械端口電機(jī)的兩個機(jī)械自由度和兩個電端口的控制，實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速，實(shí)現(xiàn)內(nèi)燃機(jī)工況的最優(yōu)化，是具有原始創(chuàng)新的技術(shù)，打破國外技術(shù)壟斷。初步解決了電動機(jī)設(shè)計(jì)與控制，內(nèi)轉(zhuǎn)子冷卻，內(nèi)外電動機(jī)解耦等核心問題。4.驅(qū)動電機(jī)及其控制器4.1驅(qū)動電機(jī)類型及其發(fā)展驅(qū)動電機(jī)是電動汽車的關(guān)鍵部件，直接影響整車的動力性及經(jīng)濟(jì)性。驅(qū)動電機(jī)主要包括直流電機(jī)和交流電機(jī)。目前電動汽車廣泛使用交流電機(jī)，主要包括：異步電機(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)和永磁電機(jī)（包括無刷直流電機(jī)和永磁同步電機(jī)）[19]。車用電機(jī)的發(fā)展趨勢如下：(1)電機(jī)本體永磁化：永磁電機(jī)具有高轉(zhuǎn)矩密度、高功率密度、高效率、高可靠性等優(yōu)點(diǎn)。我國具有世界最為豐富的稀土資源，因此高性能永磁電機(jī)是我國車用驅(qū)動電機(jī)的重要發(fā)展方向。(2)電機(jī)控制數(shù)字化：專用芯片及數(shù)字信號處理器的出現(xiàn)，促進(jìn)了電機(jī)控制器的數(shù)字化，提高了電機(jī)系統(tǒng)的控制精度，有效減小了系統(tǒng)體積。(3)電機(jī)系統(tǒng)集成化：通過機(jī)電集成（電機(jī)與發(fā)動機(jī)集成或電機(jī)與變速箱集成）和控制器集成，有利于減小驅(qū)動系統(tǒng)的重量和體積，可有效降低系統(tǒng)制造成本。4.2國外發(fā)展情況根據(jù)國外資料介紹近年來美、歐開發(fā)的電動客車多采用交流異步電機(jī)，國外典型產(chǎn)品技術(shù)參數(shù)請見表2。為了降低車重，電機(jī)殼體大多采用鑄鋁材料，電機(jī)恒功率范圍較寬，最高轉(zhuǎn)速可達(dá)基速的2～2.5倍[18]。日本近年來問世的電動汽車大多采用永磁同步電機(jī)。產(chǎn)品功率等級覆蓋3～123kW，電機(jī)恒功率范圍很寬，最高轉(zhuǎn)速可達(dá)基速的5倍[6]。日本近幾年開發(fā)的電動汽車驅(qū)動電機(jī)概況見表3。4.3我國發(fā)展現(xiàn)狀(1)交流異步電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)我國已建立了具有自主知識產(chǎn)權(quán)異步電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的開發(fā)平臺，形成了小批量生產(chǎn)的開發(fā)、制造、試驗(yàn)及服務(wù)體系；產(chǎn)品性能基本滿足整車需求，大功率異步電機(jī)系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于各類電動客車；通過示范運(yùn)行和小規(guī)模市場化應(yīng)用，產(chǎn)品可靠性得到了初步驗(yàn)證[17]。(2)開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)已形成優(yōu)化設(shè)計(jì)和自主研發(fā)能力，通過合理設(shè)計(jì)電機(jī)結(jié)構(gòu)、改進(jìn)控制技術(shù)，產(chǎn)品性能基本滿足整車需求；部分公司已具備年產(chǎn)2000套的生產(chǎn)能力，能滿足小批量配套需求，目前部分產(chǎn)品已配套整車示范運(yùn)行，效果良好。(3)無刷直流電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)國內(nèi)企業(yè)通過合理設(shè)計(jì)及改進(jìn)控制技術(shù)，有效提高了無刷直流電機(jī)產(chǎn)品性能，基本滿足電動汽車需求；已初步具有機(jī)電一體化設(shè)計(jì)能力。(4)永磁同步電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)已形成了一定的研發(fā)和生產(chǎn)能力，開發(fā)了不同系列產(chǎn)品，可應(yīng)用于各類電動汽車；產(chǎn)品部分技術(shù)指標(biāo)接近國際先進(jìn)水平，但總體水平與國外仍有一定差距；基本具備永磁同步電機(jī)集成化設(shè)計(jì)能力；多數(shù)公司仍處于小規(guī)模試制生產(chǎn)，少數(shù)公司已投資建立車用驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng)專用生產(chǎn)線。(5)永磁電機(jī)材料永磁電機(jī)的主要材料有釹鐵硼磁鋼、硅鋼等。部分公司掌握了電機(jī)轉(zhuǎn)子磁體先裝配后充磁的整體充磁技術(shù)。國內(nèi)研制的釹鐵硼永磁體最高工作溫度可達(dá)280℃，但技術(shù)水平仍與德國和日本有較大差距。硅鋼是制造電機(jī)鐵芯的重要磁性材料，其成本占電機(jī)本體的20%左右，其厚度對鐵耗有較大影響，日本已生產(chǎn)出0.27mm硅鋼片用于車用電機(jī)，我國僅開發(fā)出0.35mm硅鋼片[16]。(6)電機(jī)控制器關(guān)鍵部件電機(jī)控制器用位置／轉(zhuǎn)速傳感器多為旋轉(zhuǎn)變壓器，目前基本采用進(jìn)口產(chǎn)品，我國部分公司已具備旋轉(zhuǎn)變壓器的研發(fā)生產(chǎn)能力，但產(chǎn)品精度、可靠性與國外仍有差距。IGBT基本依賴進(jìn)口，價格昂貴，國產(chǎn)車用IGBT尚處于研究階段。4.4.我國驅(qū)動電機(jī)及其控制器存在的主要問題(1)電機(jī)原材料、控制器核心部件研發(fā)能力較弱，依賴進(jìn)口，如硅鋼片、電機(jī)高速軸承、位置／轉(zhuǎn)速傳感器、IGBT模塊等。進(jìn)口產(chǎn)品成本高，影響電機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)化。(2)我國車用電機(jī)的機(jī)電集成水平與國外差距較大。控制器集成度較低，體積、重量相對偏大。(3)我國車用電機(jī)系統(tǒng)尚處于起步階段，制造工藝水平落后，缺乏自動化生產(chǎn)線，造成產(chǎn)品可靠性、一致性差。產(chǎn)業(yè)化規(guī)模較小，成本較高。(4)現(xiàn)階段國家出臺的電動汽車驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)較少，且不完善。如：不同類型電機(jī)系統(tǒng)采用同一檢測標(biāo)準(zhǔn)，缺乏可靠性、耐久性評價方法等[14]。4.5電動汽車用驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng)的特點(diǎn)及分類電動汽車對驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng)的要求至少包括：

（1）基速以下輸出大轉(zhuǎn)矩，以適應(yīng)車輛的啟動、加速、負(fù)荷爬坡、頻繁起停等復(fù)雜工況；

（2）基速以上為恒功率運(yùn)行，以適應(yīng)最高車速、超車等要求；

（3）全轉(zhuǎn)速運(yùn)行范圍內(nèi)的效率最優(yōu)化，以提高車輛的續(xù)駛里程；

（4）結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、體積小、重量輕、良好的環(huán)境適應(yīng)性和高可靠性；

（5）低成本及大批量生產(chǎn)能力。

電動汽車最早采用了直流電機(jī)系統(tǒng),特點(diǎn)是成本低控制簡單,但重量大需要定期維護(hù)[7]。隨電力電子技術(shù)、自動控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展,包括異步電機(jī)及永磁電機(jī)在內(nèi)的交流電機(jī)系統(tǒng)體現(xiàn)出比直流電機(jī)系統(tǒng)更加優(yōu)越的性能,目前已逐步取代了直流電機(jī)控制系統(tǒng)。特別是借助于設(shè)計(jì)方法、開發(fā)工具及永磁材料的不斷進(jìn)步,用于驅(qū)動的永磁同步電動機(jī)得到了飛速發(fā)展。

電動汽車中常用的交流電機(jī)主要有異步、永磁、開關(guān)磁阻三大類型其中,異步電機(jī)主要應(yīng)用在純電動汽車(包括轎車及客車),永磁同步電機(jī)主要應(yīng)用在混合動力汽車(包括轎車及客車)中,開關(guān)磁阻電機(jī)目前主要應(yīng)用在客車中[8]。特別是,由于具有高效、高功率密度的特點(diǎn),目前在混合動力轎車中采用的基本都是永磁同步電動機(jī)。日本豐田公司的prius采用的永磁同步電動機(jī)功率已達(dá)到了50kw,新配置的suv車型所用電機(jī)功率甚至達(dá)到了123kw[13]。與普通工業(yè)用驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng)及通用變頻器不同，電動汽車用驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng)的特點(diǎn)是高性能、高功率密度、高可靠性，低成本、低污染和良好的環(huán)境適應(yīng)性。4.6電動汽車用驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀目前國內(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，包括上述的各種類型電機(jī)以及風(fēng)冷、水冷等冷卻形式，涵蓋5kw～180kw功率范圍[9]。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(bǔ)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(yùn)行[12]。

1.目前車用驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng)尚需提高的地方

（1）全運(yùn)行范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速控制精度,效率最優(yōu)化;

（2）系統(tǒng)可靠性及耐久性尚未得到充分驗(yàn)證,和汽車行業(yè)的嚴(yán)格要求還有一定差距;

（3）動力總成裝置的集成度不高,機(jī)電一體化不夠;

（4）關(guān)鍵材料（如高性能硅鋼片，絕緣材料）和關(guān)鍵元器件（如igbt模塊，cpu芯片）仍依靠進(jìn)口，限制了選擇余地和成本降低；

（5）尚未形成完整的、滿足汽車工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的供應(yīng)商體系。雖然具備了小批量供貨的能力,但產(chǎn)品尚未通過ts16949質(zhì)量體系標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證。

2.今后仍需要重點(diǎn)研究的內(nèi)容

（1）系統(tǒng)的集成化；

（2）高性能電機(jī)控制策略，電機(jī)效率優(yōu)化；

（3）系統(tǒng)熱管理；

（4）系統(tǒng)失效模式分析，系統(tǒng)可靠性、耐久性預(yù)測與快速評估方法；

（5）系統(tǒng)電磁兼容，環(huán)境適應(yīng)性研究及試驗(yàn)驗(yàn)證，電機(jī)系統(tǒng)成本控制等。4.7發(fā)展趨勢（1）驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng)必須滿足動力總成一體化的要求并支持整車產(chǎn)品的系列化和生產(chǎn)的規(guī)?；?；豐田公司的驅(qū)動系統(tǒng)thsii及本田公司的ima系統(tǒng)的發(fā)展和進(jìn)步充分體現(xiàn)了這一點(diǎn)：thsii已擴(kuò)展到包括lexus在內(nèi)的多種車型，而ima也已配置到包括civic及雅閣在內(nèi)的多種車型[9]。

（2）國內(nèi)將出現(xiàn)獨(dú)立的新型汽車電氣驅(qū)動系統(tǒng)提供商，支持電動汽車及傳統(tǒng)汽車產(chǎn)業(yè)；

目前國外已有包括solectria，enova在內(nèi)的電氣公司，汽車用電氣自動化的新型產(chǎn)業(yè)正在逐步形成[10]。目前我國在電機(jī)（包括永磁材料）生產(chǎn)，人力成本等方面存在較大的優(yōu)勢，如果能夠跟上當(dāng)前的產(chǎn)業(yè)發(fā)展機(jī)遇，可以使得我國在世界市場上占有一席之地。

（3）與元器件、電力電子器件供應(yīng)商及現(xiàn)有的工業(yè)用變頻器行業(yè)形成產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟有助于這個新型產(chǎn)業(yè)的發(fā)展壯大。5.總結(jié)綜上所述，如在上文比較分析了幾種電機(jī)性能之后，我們總結(jié)四種電機(jī)的優(yōu)劣比較情況?？梢钥闯?，永磁同步電機(jī)總體評價最高。在實(shí)際的應(yīng)用中，交流異步電機(jī)成本低、性能穩(wěn)定、可靠性高、控制方法靈活、綜合性能較好，應(yīng)用更為廣泛。永磁同步電機(jī)是當(dāng)前電動汽車驅(qū)動電機(jī)研究的熱點(diǎn)。永磁同步電機(jī)具有體積小、質(zhì)量輕、功率密度大等優(yōu)點(diǎn)，同時它的低速輸出轉(zhuǎn)矩大、效率高、維護(hù)方便，因此作為電動汽車驅(qū)動電機(jī)的優(yōu)勢明顯。當(dāng)前需要克服的缺點(diǎn)和問題是永磁體的退磁，受永磁材料工藝的限制和影響，使得永磁無刷電機(jī)的功率范圍較小，由于電機(jī)永久性磁場的存在，使恒功率范圍時電機(jī)的控制較為困難。當(dāng)前的主要研究方向是無位置傳感器控制、轉(zhuǎn)矩脈動抑制和新型控制策略等[11]。日本和歐洲各國大都采用永磁同步電機(jī)作為電動汽車驅(qū)動電機(jī)。6.參考文獻(xiàn)[1]陳清泉，詹宜巨．2l世紀(jì)的綠色交通工具——電動車[M]．北京：清華大學(xué)出版社，暨南大學(xué)出版社，2000．7[2]陳清泉，孫逢春，祝嘉光．現(xiàn)代電動汽車技術(shù)[M]．北京：北京理工大學(xué)出版社，2002．11[3]張翔等．中國電動汽車的進(jìn)展[J]．汽車研究與開發(fā)，2004(1)[4]曹秉剛等．電動汽車進(jìn)展和發(fā)展趨勢CJ]．西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)．V01．38No．12004[5]萬沛霖．電動汽車關(guān)鍵技術(shù)[M]．北京：北京理工大學(xué)出版社，1998[6]胡驊，宋慧．電動汽車[M]．北京：人民交通出版社，2002[7]李興虎．電動汽車概論[M]．北京：北京理工大學(xué)出版社，2005．8[8]張翔等．國內(nèi)各主要單位電動汽車項(xiàng)目進(jìn)展情況及主要產(chǎn)品介紹[J]．汽車技術(shù)，2004[9]李斌花．純電動汽車電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)控制策略研究[D]．湖南：湖南大學(xué)，2005[10]Maggetto，G，VanMierlo，J．Electricandelectrichybridvehicletechnology：asurveyElectric，HybridandFuelCellVehicles(Re￡No．2000／050)，IECSeminar，IIApril2000Pages：F1—111[11]Pill-SooIIl’Costmodelingofbatteryelectricvehicleandhybridelectricvehiclebasedonmajorpartscost，PowerElectronicsandDriveSystems，2003．PEDS2003．TheFifthInternational

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