電動汽車用電機及其控制系統(tǒng)的應(yīng)用與發(fā)展

電動汽車用電機及其控制系統(tǒng)的應(yīng)用與發(fā)展

ApplicationandDevelopmentTrendofMotorControlSystemsforEVandHEV徐性怡博士上海大郡自動化系統(tǒng)工程有限公司Dr.XingyiXuShanghaiDAJUNTechnologies,Inc.第一頁，共二十二頁。內(nèi)容提要Outlines電動汽車的發(fā)展趨勢以及對電機系統(tǒng)的要求

EV/HEVtrendandrequirementforelectricdrivesystems電動汽車用電機系統(tǒng)技術(shù)及其發(fā)展趨勢

Descriptionanddevelopmenttrendinelectricdrivesystems電動汽車用電機系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)與對策

Challengesandsolutionsforelectricdrivesystems大郡簡介

BriefoverviewofDajun第二頁，共二十二頁。中國電動汽車的發(fā)展前景

EV/HEVinChina歷史性機遇HistoricalOpportunities汽車動力電氣化已成為汽車技術(shù)發(fā)展的趨勢

PowertrainElectrificaitonistrendforfuture“節(jié)能減排”的國策鼓勵電動汽車及混合動力汽車的大發(fā)展

EnergySavingandEmissionReductionisChina’sLongTermNationalPolicy電動汽車發(fā)展所面臨的挑戰(zhàn)ChallengesforEV/HEV電動汽車技術(shù)仍有待于完善，尤其是關(guān)鍵零部件如電池和電機制約了電動汽車的發(fā)展進程；

LimitedbyKeyComponentssuchasbatteriesandmotordrivesystems電動汽車市場受到產(chǎn)品可靠性、成本等因素的制約，需要一段成長周期

ReliabilityandcostofEV/HEVproductsareofconcerntoconsumers消費者對新能源汽車的積極性受油價的影響

ConsumeracceptanceofEV/HEVisinfluencedbyoilprice市場將在未來3-5年逐步上量

Therewillbe3-5yearsbeforethemarketreallyrampsup第三頁，共二十二頁?；旌蟿恿ο到y(tǒng)實現(xiàn)方案

ExamplesofHEVSystemsBatteryTrans.ISGIPUMildHEVBatteryTrans.TractionMotorISGIPUSeriesHEV/Plug-inBatteryTrans.TractionMotorISGIPUParallelHEV/Plug-in第四頁，共二十二頁。電動汽車應(yīng)用對電機系統(tǒng)的要求

EV/HEVRequirementsforElectricMachines

結(jié)構(gòu)緊湊、尺寸小CompactinSize重量輕LightinWeight可靠性高HighReliability效率高HighEfficiency低噪聲、低震動Lowaudiblenoise,LowVibration調(diào)速范圍寬WideSpeedRange成本低LowCost第五頁，共二十二頁。汽車電機與普通工業(yè)電機之比較項目工業(yè)應(yīng)用汽車應(yīng)用封裝尺寸空間不受限制，可用標(biāo)準(zhǔn)封裝配套各種應(yīng)用布置空間有限，必須根據(jù)具體產(chǎn)品進行特殊設(shè)計工作環(huán)境環(huán)境溫度適中（-20~+40oC);靜止應(yīng)用，震動較小溫度變化大（-40~+105oC);震動劇烈;可靠性要求較高以保證生產(chǎn)效率很高以保障乘車者安全冷卻方式通常為風(fēng)冷（體積大）通常為水冷（體積小）控制性能多為變頻調(diào)速控制，動態(tài)性能較差需要精確的力矩控制，動態(tài)性能較好功率密度較低（0.2kW/kg）較高（1–1.5kW/kg）總體性價比一般極高：既要性能好，又要價格便宜第六頁，共二十二頁。MotorSensorPowerElectronicConverterDigitalControl汽車電機系統(tǒng)的構(gòu)成和工作原理

AutoElectricDriveSystemDescription

Battery-VinVinVo第七頁，共二十二頁。常用交流無刷電機類型

CommonTypesofACMotorsAxByzCNS感應(yīng)電機技術(shù)成熟成本較低恒功率調(diào)速范圍寬效率較高體積較大開關(guān)磁阻電機結(jié)構(gòu)簡單恒功率調(diào)速范圍寬效率與感應(yīng)電機類似噪聲大體積比較大永磁電機體積小效率高恒功率調(diào)速范圍不寬第八頁，共二十二頁。電機技術(shù)發(fā)展趨勢：永磁-磁阻同步電機

PM-ReluctanceSynchronous(PMRS)MotorNS+永磁-磁阻同步電機的特點：

PMRSMotorFeatures:弱磁容易，調(diào)速范圍寬

Capableoffieldweakening,wideconstantpowerrange效率較高

Highefficiency力矩密度較高

Hightorquedensity結(jié)構(gòu)復(fù)雜，優(yōu)化設(shè)計較難

Hardtodesign由于飽和非線性，控制復(fù)雜

Controlcomplexity第九頁，共二十二頁。動力總成趨勢：電機與變速箱的優(yōu)化組合

OptimalCombinationofMotorandGears電機尺寸取決于峰值力矩（而不是功率?。┮约半姍C的散熱能力

ThemotorsizeisdeterminedbytheTORQUE(notthepower!)andthemotorcoolingsystemcapability.根據(jù)實際應(yīng)用需要優(yōu)化配置電機與變速箱（減速機）組合

Systemoptimizationcanbeachievedthroughmotor/gearcombination

速比1:1

速比2:1rpmTorque第十頁，共二十二頁。豐田混合動力系統(tǒng)的改進

Size/WeightReductioninToyota’sHEVsystem通過采用減速齒輪，在電機尺寸基本不變的情況下，其功率增加了2.5倍PriusRX400/CamryHVPeakTorque：400Nm333NmMaxRPM600012400PeakPower50kW123kW第十一頁，共二十二頁。電力電子控制器發(fā)展趨勢

TrendinPowerElectronicsController新控制器拓撲結(jié)構(gòu)Newtopology逆變器+大功率DC/DC高集成度HighlevelofintegrationISG控制器+牽引電機控制器+DC/DC

IntegrationofISGcontroller,tractionmotorcontrollerandLowvoltageDC/DC電力電子控制器與電池管理模塊集成

MotorcontrollerintegratedwithBatteryModule熱管理集成設(shè)計

Thermalmanagement新器件NewComponents高集成度、智能型汽車等級IGBT模塊

HighlyintegratedIGBTModulewithautograde薄膜電容

Thinfilmcapacitors第十二頁，共二十二頁。豐田混合動力系統(tǒng)PCU的改進

Size/WeightReductioninToyota’sPCUsystem通過提高集成度，改進散熱板設(shè)計，豐田大大減小了其電力電子控制器（PCU）的體積與重量

ToyotaachievedsubstantialvolumeandweightreductionthroughhigherlevelofintegrationandthermalmanagementsystemenhancementRX400GS450ImprovedVolume：30Liters11Liters63%Weight35kg20kg43%第十三頁，共二十二頁。電動汽車用電機系統(tǒng)所面臨的設(shè)計挑戰(zhàn)：

DesignChallengesforEV/HEVMotorDriveSystems整車重量和封裝尺寸：Vehicleweightandpackagingsizeconstraint采用永磁-磁阻電機

UseofPM-ReluctanceSynchronousmotor可靠性和耐久壽命設(shè)計：Reliabilityanddurabilitydesign汽車應(yīng)用的惡劣環(huán)境：Harshoperatingconditions高溫及寬溫差循環(huán)HighTemperatureandwiderangetemperaturecycling劇烈的震動SevereVibration需要充分理解最差工況以及電機、電力電子器件的能力限制

Fullyunderstandtheworstcaseconditionandlimitationsofmotorandpowerelectronicscomponents電磁兼容設(shè)計：EMCDesign需要從零部件到整車各層次進行統(tǒng)籌設(shè)計

WorkatVehicle,system,andcomponentleveltolimitEMI設(shè)計認(rèn)證：DesignValidation加速壽命試驗Acceleratedlifetesttovalidatethedesign第十四頁，共二十二頁。成本挑戰(zhàn)

Challengein

CostReduction電機系統(tǒng)成本是電動汽車/混合動力汽車市場化的重要障礙之一

TheE-drivesystemcostisamojorobstacletothecommercializationofHEV,plug-inHEV,batteryEVandFCEVEV/HEV動力系統(tǒng)成本構(gòu)成；

MajorcostcomponentsofanE-drivesystem電池或燃料電池；

Batteryorfuelcell電力電子；

Powerelectronics(inverter,controller,andsensor)電機；

Motor減速器/變速箱；

Gearbox需采用系統(tǒng)方法削減成本

Systematicapproachisneededtominimizethesystemcost,notindividualcomponentcost.第十五頁，共二十二頁。削減成本的途徑

ApproachestoReduceCost系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計；SystemOptimization避免過設(shè)計；Avoidoverdesign提高集成度；Increaseintegrationlevel(e.g.motorandtransmission,InverterandDC/DC,etc.)制造；Manufacturing借用汽車制造能力提高電機及電力電子系統(tǒng)的制造效率

Introduceautomotivemanufacturingknow-howintomotorandpowerelectronicsmanufacturingprocesses增加產(chǎn)量；IncreasethevolumeofEV/HEVMotorDriveSystems整車客戶之間分享共同的供應(yīng)商資源

Sharesupplierbaseamongautocompanies與工業(yè)應(yīng)該分享零部件資源

Sharecomponentswithotherindustryandapplications政府在市場起步時提供資助

GovernmentincentivestoincreasethemarketpenetrationofEV/HEV第十六頁，共二十二頁。上海大郡公司簡介

AboutShanghaiDajun地處上海漕河涇國家級經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)浦江園區(qū)

LocatedinShanghaiCaohejingDevelopmentZone以混合動力/電動汽車用電機系統(tǒng)為主業(yè)

BusinessFocus:ElectricDrivesforEV/HEV從2003年起承擔(dān)國家863重大專項

Participate863EVprojectsince2003新辦公地照片第十七頁，共二十二頁。大郡電動汽車電機系統(tǒng)產(chǎn)品平臺

Dajun’sEV/HEVMotorDrivePlatform混合動力乘用車ISG系統(tǒng)

ISGSystem大功率電機系統(tǒng)

HighPowerSystemForBuses混合動力乘用車雙電機系統(tǒng)

DualMotorSystem電動汽車牽引電機系統(tǒng)

EVTractionDrive第十八頁，共二十二頁。成功參與2008奧運會新能源汽車示范運營配有大郡牽引電機系統(tǒng)的上海大眾燃料電池轎車配有大郡ISG系統(tǒng)的長安杰勛牌混合動力轎車配有大郡雙電機系統(tǒng)的一汽強混合動力轎車第十九頁，共二十二頁。強混合客車用雙電機系統(tǒng)

DualMotorSystemforFullHEVBus2023/5/1220混合動力系統(tǒng)主要功能

MainFeaturesoftheSystem柴油機與ISG互補疊加的混合動力發(fā)動機總成

IntegratedDieselandISGsubsystem一體集成的變速箱與牽引電機總成

Integratedtractionmotorandtransmissionsubsystem包括大功率DC/DC的電力電子總成

Integratedpowerelectronicunitincludingmotorinverters,highpowerDC/DC,andlowvoltageDC/DC第二十頁，共二十二頁。電動汽車/混合動力汽車正在成為汽車工業(yè)未來的主流動力系統(tǒng)技術(shù)

EV/HEVisbecomingamainstreampowertraintechnologyforautoindustry電力電子和電機驅(qū)動系統(tǒng)是EV/HEV的關(guān)鍵零部件技術(shù)

PowerElectronicsandMotorDrivesystemsarekeycomponentsforEV/HEV中國電機系統(tǒng)供應(yīng)商面臨著巨大的挑戰(zhàn)，尤其是在可靠性、EMC、輕量化以及成本方面

EV/HEVapplicationsimposechallengetopowerelectronicsandmotordrivesystemssuppliers,e