我國電動汽車驅動電機及其控製器發展綜合分析

驅動電機
1、驅動電機類型及其發展驅動電機是電動汽車的關鍵部件,直接影響整車的動力性及經濟性。驅動電機主要包括直流電機和交流電機。目前電動汽車廣泛使用交流電機,主要包括:異步電機、開關磁阻電機和永磁電機(包括無刷直流電機和永磁同步電機)。
車用電機的發展趨勢如下:
(1)電機本體永磁化:永磁電機具有高轉矩密度、高功率密度、高效率、高可靠性等優點。我國具有世界最為豐富的稀土資源,因此高性能永磁電機是我國車用驅 動電機的重要發展方向;
(2)電機控製數字化:專用芯片及數字信號處理器的出現,促進了電機控製器的數字化,提高了電機係統的控製精度,有效減小了係統體積;
(3)電機係統集成化:通過機電集成(電機與發動機集成或電機與變速箱集成)和控製器集成,有利於減小驅動係統的重量和體積,可有效降低係統製造成本。
2、國外發展情況根據國外資料介紹,近年來美、歐開發的電動客車多采用交流異步電機。為了降低車重,電機殼體大多采用鑄鋁材料,電機恒功率範圍較寬,最高轉速可達基速的2～2.5倍。
日本近年來問世的電動汽車大多采用永磁同步電機。產品功率等級覆蓋3～123kW,電機恒功率範圍很寬,最高轉速可達基速的5倍。
3、我國發展現狀:
(1)交流異步電機驅動係統我國已建立了具有自主知識產權異步電機驅動係統的開發平台,形成了小批量生產的開發、製造、試驗及服務體係;產品性能基本滿足整車需求,大功率異步電機係統已廣泛應用於各類電動客車;通過示範運行和小規模市場化應用,產品可靠性得到了初步驗證。
(2)開關磁阻電機驅動係統已形成優化設計和自主研發能力,通過合理設計電機結構、改進控製技術,產品性能基本滿足整車需求;部分公司已具備年產2000套的生產能力,能滿足小批量配套需求,目前部分產品已配套整車示範運行,效果良好。
(3)無刷直流電機驅動係統國內企業通過合理設計及改進控製技術,有效提高了無刷直流電機產品性能,基本滿足電動汽車需求;已初步具有機電一體化設計能力。
(4)永磁同步電機驅動係統已形成了一定的研發和生產能力,開發了不同係列產品,可應用於各類電動汽車;產品部分技術指標接近國際先進水平,但總體水平與國外仍有一定差距;基本具備永磁同步電機集成化設計能力;多數公司仍處於小規模試製生產,少數公司已投資建立車用驅動電機係統專用生產線。
(5)永磁電機材料永磁電機的主要材料有釹鐵硼磁鋼、矽鋼等。部分公司掌握了電機轉子磁體先裝配後充磁的整體充磁技術。國內研製的釹鐵硼永磁體最高工作溫度可達280℃,但技術水平仍與德國和日本有較大差距。矽鋼是製造電機鐵芯的重要磁性材料,其成本占電機本體的20%左右,其厚度對鐵耗有較大影響,日本已生產出0.27mm矽鋼片用於車用電機,我國僅開發出0.35mm矽鋼片。
(6)電機控製器關鍵部件電機控製器用位置/轉速傳感器多為旋轉變壓器,目前基本采用進口產品,我國部分公司已具備旋轉變壓器的研發生產能力,但產品精度、可靠性與國外仍有差距。IGBT基本依賴進口,價格昂貴,國產車用IGBT尚處於研究階段。
4、我國驅動電機及其控製器存在的主要問題
(1)電機原材料、控製器核心部件研發能力較弱,依賴進口,如矽鋼片、電機高速軸承、位置/轉速傳感器、IGBT模塊等。進口產品成本高,影響電機係統產業化。
(2)我國車用電機的機電集成水平與國外差距較大。控製器集成度較低,體積、重量相對偏大。
(3)我國車用電機係統尚處於起步階段,製造工藝水平落後,缺乏自動化生產線,造成產品可靠性、一致性差。產業化規模較小,成本較高。
(4)現階段國家出台的電動汽車驅動電機係統標準較少,且不完善。如:不同類型電機係統采用同一檢測標準,缺乏可靠性、耐久性評價方法等。
我國電動汽車驅動電機及其控製器發展綜合分析
整車控製器
1、國外發展情況整車控製器的開發包括軟、硬件設計。核心軟件一般由整車廠研發,硬件和底層驅動軟件可選擇由汽車零部件廠商提供。
(1)國外整車控製器技術趨於成熟國外大部分汽車企業在電動汽車領域積累充足,控製策略成熟度高,整車節油效果良好,控製器產品通過市場檢驗證實了其可靠性。
(2)汽車電子零部件企業積極開展整車控製器研發和生產製造。
各汽車電子零部件巨頭,如德爾福、大陸、博世集團都紛紛進行整車控製器研發和生產。部分汽車設計公司也為整車廠提供整車控製器技術方案,如AVL、FEV、 RICARDO等,在電動汽車整車控製器領域也有不少成功的案例。
(3)控製器日趨標準化控製器的標準化已引起相關企業的關注。由全球汽車製造商、部件供應商及電子、半導體和軟件係統公司,聯合建立了汽車開放係統架構聯盟,形成了AUTOSAR(汽車開放係統架構)標準,簡化了開發流程並使ECU軟件具有複用性,是控製器開發的一個趨勢。
2、我國發展現狀“863”計劃中我國整車控製器主要是以高校為依托進行研究,如清華大學、同濟大學、北京理工大學等,目前已初步掌握了整車控製器的軟、硬件開發能力。產品功能較為完備,基本可以滿足電動汽車需求,已經應用到樣車及小批量產品上。部分整車企業與國外公司進行合作,如FEV、RICARDO。通過聯合開發,吸收國外相關技術和經驗,增強自主開發能力。目前各廠家基本掌握整車控製器開發技術,但技術積累有限,水平參差不齊。
我國控製器硬件水平與國外存在一定差距,產業化能力相對不足。大部分企業推出量產電動汽車產品時更傾向於選擇國外整車控製器硬件供應商。另外,控製器基礎硬件、開發工具等基本依賴進口。
總體來講,控製器產品技術水平和產業化能力與國外仍有較大差距。
3、我國整車控製器存在的主要問題:
(1)應用軟件方麵多數停留在功能實現,軟件診斷功能、整車安全控製策略、監控功能均有待優化和提高。
(2)我國電動汽車處於樣車研發和示範運行階段,基礎數據庫不完善,影響整車控製器設計水平。
(3)部分企業能根據V型開發流程(一種軟件和產品開發工具)引進相關的設備和軟件,普遍使用通用開發工具進行二次開發;現有工具偏重於前期開發,缺少用於生產製造和售後服務的工具,不利於產品的產業化發展。
(4)國內企業能夠完成整車控製器硬件結構設計,但由於我國芯片集成力量比較薄弱,製造能力較差,可靠性和穩定性仍有很大的提升空間。
(5)目前各整車企業控製器接口和網絡通訊協議定義互不相同,造成控製器之間的通用性和複用性差,不利於控製器的產業化和規模化。