我国电动汽车驱动电机及其控制器发展综合分析

      驱动电机
      1、驱动电机类型及其发展驱动电机是电动汽车的关键部件,直接影响整车的动力性及经济性。驱动电机主要包括直流电机和交流电机。目前电动汽车广泛使用交流电机,主要包括:异步电机、开关磁阻电机和永磁电机(包括无刷直流电机和永磁同步电机)。
      车用电机的发展趋势如下:
      (1)电机本体永磁化:永磁电机具有高转矩密度、高功率密度、高效率、高可靠性等优点。我国具有世界最为丰富的稀土资源,因此高性能永磁电机是我国车用驱       动电机的重要发展方向;
      (2)电机控制数字化:专用芯片及数字信号处理器的出现,促进了电机控制器的数字化,提高了电机系统的控制精度,有效减小了系统体积;
      (3)电机系统集成化:通过机电集成(电机与发动机集成或电机与变速箱集成)和控制器集成,有利于减小驱动系统的重量和体积,可有效降低系统制造成本。
      2、国外发展情况根据国外资料介绍,近年来美、欧开发的电动客车多采用交流异步电机。为了降低车重,电机壳体大多采用铸铝材料,电机恒功率范围较宽,最高转速可达基速的2～2.5倍。
      日本近年来问世的电动汽车大多采用永磁同步电机。产品功率等级覆盖3～123kW,电机恒功率范围很宽,最高转速可达基速的5倍。
      3、我国发展现状:
      (1)交流异步电机驱动系统我国已建立了具有自主知识产权异步电机驱动系统的开发平台,形成了小批量生产的开发、制造、试验及服务体系;产品性能基本满足整车需求,大功率异步电机系统已广泛应用于各类电动客车;通过示范运行和小规模市场化应用,产品可靠性得到了初步验证。
      (2)开关磁阻电机驱动系统已形成优化设计和自主研发能力,通过合理设计电机结构、改进控制技术,产品性能基本满足整车需求;部分公司已具备年产2000套的生产能力,能满足小批量配套需求,目前部分产品已配套整车示范运行,效果良好。
      (3)无刷直流电机驱动系统国内企业通过合理设计及改进控制技术,有效提高了无刷直流电机产品性能,基本满足电动汽车需求;已初步具有机电一体化设计能力。
      (4)永磁同步电机驱动系统已形成了一定的研发和生产能力,开发了不同系列产品,可应用于各类电动汽车;产品部分技术指标接近国际先进水平,但总体水平与国外仍有一定差距;基本具备永磁同步电机集成化设计能力;多数公司仍处于小规模试制生产,少数公司已投资建立车用驱动电机系统专用生产线。
      (5)永磁电机材料永磁电机的主要材料有钕铁硼磁钢、硅钢等。部分公司掌握了电机转子磁体先装配后充磁的整体充磁技术。国内研制的钕铁硼永磁体最高工作温度可达280℃,但技术水平仍与德国和日本有较大差距。硅钢是制造电机铁芯的重要磁性材料,其成本占电机本体的20%左右,其厚度对铁耗有较大影响,日本已生产出0.27mm硅钢片用于车用电机,我国仅开发出0.35mm硅钢片。
      (6)电机控制器关键部件电机控制器用位置/转速传感器多为旋转变压器,目前基本采用进口产品,我国部分公司已具备旋转变压器的研发生产能力,但产品精度、可靠性与国外仍有差距。IGBT基本依赖进口,价格昂贵,国产车用IGBT尚处于研究阶段。
      4、我国驱动电机及其控制器存在的主要问题
      (1)电机原材料、控制器核心部件研发能力较弱,依赖进口,如硅钢片、电机高速轴承、位置/转速传感器、IGBT模块等。进口产品成本高,影响电机系统产业化。
      (2)我国车用电机的机电集成水平与国外差距较大。控制器集成度较低,体积、重量相对偏大。
      (3)我国车用电机系统尚处于起步阶段,制造工艺水平落后,缺乏自动化生产线,造成产品可靠性、一致性差。产业化规模较小,成本较高。
      (4)现阶段国家出台的电动汽车驱动电机系统标准较少,且不完善。如:不同类型电机系统采用同一检测标准,缺乏可靠性、耐久性评价方法等。
      我国电动汽车驱动电机及其控制器发展综合分析
      整车控制器
      1、国外发展情况整车控制器的开发包括软、硬件设计。核心软件一般由整车厂研发,硬件和底层驱动软件可选择由汽车零部件厂商提供。
      (1)国外整车控制器技术趋于成熟国外大部分汽车企业在电动汽车领域积累充足,控制策略成熟度高,整车节油效果良好,控制器产品通过市场检验证实了其可靠性。
      (2)汽车电子零部件企业积极开展整车控制器研发和生产制造。
      各汽车电子零部件巨头,如德尔福、大陆、博世集团都纷纷进行整车控制器研发和生产。部分汽车设计公司也为整车厂提供整车控制器技术方案,如AVL、FEV、 RICARDO等,在电动汽车整车控制器领域也有不少成功的案例。
      (3)控制器日趋标准化控制器的标准化已引起相关企业的关注。由全球汽车制造商、部件供应商及电子、半导体和软件系统公司,联合建立了汽车开放系统架构联盟,形成了AUTOSAR(汽车开放系统架构)标准,简化了开发流程并使ECU软件具有复用性,是控制器开发的一个趋势。
      2、我国发展现状“863”计划中我国整车控制器主要是以高校为依托进行研究,如清华大学、同济大学、北京理工大学等,目前已初步掌握了整车控制器的软、硬件开发能力。产品功能较为完备,基本可以满足电动汽车需求,已经应用到样车及小批量产品上。部分整车企业与国外公司进行合作,如FEV、RICARDO。通过联合开发,吸收国外相关技术和经验,增强自主开发能力。目前各厂家基本掌握整车控制器开发技术,但技术积累有限,水平参差不齐。
      我国控制器硬件水平与国外存在一定差距,产业化能力相对不足。大部分企业推出量产电动汽车产品时更倾向于选择国外整车控制器硬件供应商。另外,控制器基础硬件、开发工具等基本依赖进口。
       总体来讲,控制器产品技术水平和产业化能力与国外仍有较大差距。
       3、我国整车控制器存在的主要问题:
      (1)应用软件方面多数停留在功能实现,软件诊断功能、整车安全控制策略、监控功能均有待优化和提高。
      (2)我国电动汽车处于样车研发和示范运行阶段,基础数据库不完善,影响整车控制器设计水平。
      (3)部分企业能根据V型开发流程(一种软件和产品开发工具)引进相关的设备和软件,普遍使用通用开发工具进行二次开发;现有工具偏重于前期开发,缺少用于生产制造和售后服务的工具,不利于产品的产业化发展。
      (4)国内企业能够完成整车控制器硬件结构设计,但由于我国芯片集成力量比较薄弱,制造能力较差,可靠性和稳定性仍有很大的提升空间。
      (5)目前各整车企业控制器接口和网络通讯协议定义互不相同,造成控制器之间的通用性和复用性差,不利于控制器的产业化和规模化。