新能源汽車電機驅(qū)動系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)解析
發(fā)布時間：
2018-07-25
近年隨著我國交通事業(yè)的飛速發(fā)展，交通領(lǐng)域成為我國能耗增長最快的領(lǐng)域。能源危機和環(huán)境污染的加劇，使電動汽車研發(fā)成為世界汽車工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略性項目
近年隨著我國交通事業(yè)的飛速發(fā)展，交通領(lǐng)域成為我國能耗增長最快的領(lǐng)域。能源危機和環(huán)境污染的加劇，使電動汽車研發(fā)成為世界汽車工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略性項目，世界各國也普遍將發(fā)展電動汽車確立為保障能源安全和轉(zhuǎn)型低碳經(jīng)濟的重要途徑。
1881年，第一輛電動汽車由法國工程師古斯塔夫.士維(GustaveTrouve)制造問世，它是采用鉛酸蓄電池供電，由0.1hp(英制馬力，1hp=745.7W)的直流電機驅(qū)動的三輪電動汽車，整車及其駕駛員的重量約160kg。兩位英國教授在1883年制成了相似的電動汽車。因當時該應(yīng)用技術(shù)尚未成熟到足以與馬車競爭，因此這些早期構(gòu)造并沒有引起公眾很多的注意。
20世紀40年代之后，半導(dǎo)體技術(shù)快速發(fā)展，隨后出現(xiàn)的晶閘管、三極管，尤其是在20世紀80年代問世的絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)為電機調(diào)速與控制提供了便利，同時伴以電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，為以電能為能源的電機取代以石油為能源的內(nèi)燃機提供了技術(shù)基礎(chǔ)。
一、電動汽車分類根據(jù)國標GB/T19596-2004電動汽車術(shù)語，電動汽車可分為由動動力電池提供能源的純電動汽車、電機和內(nèi)燃機共存的混合動力汽車和以燃料電池為能源的燃料電池電動汽車，這三類電動汽車均采用一個及以上的電機驅(qū)動系統(tǒng)將電能轉(zhuǎn)換為機械能，進而驅(qū)動汽車，同時回收剎車的制動能量，從而實現(xiàn)了能量利用率的提升。
1.純電動汽車
純電動汽車由電機驅(qū)動汽車，能量完全由二次電池(如鉛酸電池、鎳鎬電池、鎳氫電池或鋰離子電池)提供。由于一次石化能源的日趨匱乏，純電動汽車被認為是汽車工業(yè)的未來。典型的純電動汽車動力結(jié)構(gòu)如圖1所示。電池組的電能通過充電系統(tǒng)在車輛行駛一定里程后進行補充。純電動汽車的特點是車輛實現(xiàn)零排放，不依賴汽油，完全采用電能驅(qū)動車輛，但是由于蓄電池的能量密度和功率密度比汽油或柴油低很多，因此純電動汽車的連續(xù)行駛里程有限。
2.混合動力汽車
混合動力汽車按動力總成結(jié)構(gòu)及能量流傳遞方案不同，可分為串聯(lián)、并聯(lián)及混聯(lián)三種混合動力方式。串聯(lián)混合動力車輛中，發(fā)動機動力與電動機動力通過電氣系統(tǒng)傳遞；并聯(lián)和混聯(lián)混合動力車輛中，發(fā)動機動力與電動機動力通過一個專門的機電耦合機構(gòu)實現(xiàn)向車輪的傳遞，常用的機電耦合機構(gòu)包括行星齒輪耦合、變速器耦合及離合器耦合等。
串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)的動力總成，發(fā)動機的機械能通過發(fā)電機轉(zhuǎn)化為電能，電動機將電能轉(zhuǎn)換為機械能傳到驅(qū)動橋，驅(qū)動橋和發(fā)動機之間沒有直接的機械連接。該方案的優(yōu)點是系統(tǒng)控制簡單，缺點是難以應(yīng)對復(fù)雜路況，電池充放電壓力較大，電池壽命要求較高。
典型的并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)，電機與發(fā)動機通過齒輪減速機構(gòu)實現(xiàn)動力耦合。并聯(lián)混合動力具有三種驅(qū)動模式：發(fā)動機單獨驅(qū)動，電動機單獨驅(qū)動，發(fā)動機和電動機混合驅(qū)動。并聯(lián)式混合動力總成具有如下優(yōu)點：(1)發(fā)動機和電動機兩個動力總成，兩者的功率分別可以等于50%～100%車輛驅(qū)動功率，比串聯(lián)混合動力汽車的三個動力總成的功率、質(zhì)量和體積小。
(2)發(fā)動機可直接驅(qū)動車輛，能量轉(zhuǎn)換綜合效率比串聯(lián)混合動力汽車高。車輛需要最大輸出功率時，電動機可以給發(fā)動機提供額外的輔助動力，因此可配置小功率發(fā)動機，燃油經(jīng)濟性比串聯(lián)式混合動力汽車好。
(3)與電動機配套的動力電池組容量較小，整車質(zhì)量減輕。
但是，并聯(lián)混合動力汽車需要裝配變速器、離合器、傳動軸和驅(qū)動橋等結(jié)構(gòu)，還需裝配電動機、動力電池組和動力組合器等裝置，因此動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，結(jié)構(gòu)布置和整車控制更困難。
著名的混合動力汽車Pruis采用混連式混合動力總成，耦合器采用行星齒輪結(jié)構(gòu)，發(fā)動機與行星齒輪的行星架相連，發(fā)電機連接太陽輪，電動機連接齒圈。通過控制離合器、兩個電機及制動器工作狀態(tài)，可以實現(xiàn)多種工作模式?；炻?lián)式混合動力系統(tǒng)與串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)相比，增加了機械動力的傳遞路線，與并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)相比，增加了電能的傳輸路線。混連式混合動力系統(tǒng)具有如下優(yōu)點：(1)三個動力總成比串聯(lián)式混合動力三個動力總成的功率、質(zhì)量和體積小。
(2)電動機可獨立驅(qū)動車輛行駛。利用電動機低速大轉(zhuǎn)矩特性，帶動車輛起步，在城市中實現(xiàn)“零污染”行駛。車輛需最大輸出功率時，電動機可為發(fā)動機提供輔助動力，因此發(fā)動機功率小，燃油經(jīng)濟性好。
但是混連式混合動力系統(tǒng)需要配備兩套驅(qū)動系統(tǒng)；發(fā)動機傳動系統(tǒng)需要裝配離合器、變速器、傳動軸和驅(qū)動橋等傳動總成；另外，還有電動機、減速器、動力電池組，以及多種能源動力(發(fā)動機動力與電動機動力)組合或協(xié)調(diào)專用裝置。
3.燃料電池電動汽車燃料電池是一種通過電化學(xué)反應(yīng)的方式將燃料和氧化劑的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，具有高能量轉(zhuǎn)換效率和“零排放”特點，成為電動汽車的候選電源。燃料電池電動汽車具有系統(tǒng)機構(gòu)簡單，便于系統(tǒng)布置，有利于整車輕量化的優(yōu)點。但是由于燃料電池壽命短，系統(tǒng)功率密度低、裝置可靠性難以保證等問題，導(dǎo)致燃料電池電動汽車近年來發(fā)展緩慢。
車用電機驅(qū)動系統(tǒng)
車用電機驅(qū)動系統(tǒng)是電動汽車的關(guān)鍵技術(shù)和共性技術(shù)。因為受到車輛空間限制和使用環(huán)境的約束，車用電機驅(qū)動系統(tǒng)不同于普通的電傳動系統(tǒng)，它要求具有更高的運行性能、比功率，以及適應(yīng)更嚴酷的工作環(huán)境等。為了滿足這些要求，車用電機驅(qū)動系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展趨勢基本上可以歸納為電機永磁化、控制數(shù)字化和系統(tǒng)集成化，電機及其驅(qū)動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu).1.高功率密度車用電機控制器電動汽車中主驅(qū)動電機控制器一般采用典型的三相橋式電壓源逆變電路。其主要部件包括：功率模塊、直流側(cè)支撐電容和疊層母線排。根據(jù)車輛對控制器的功率等級需求，功率模塊大多采用絕緣柵雙極型晶體管(Insulated Gate Bipola Transistor，IGBT)，直流側(cè)支撐電容是控制器中最重要的無源器件，主要作用是吸收功率模塊開關(guān)造成的直流側(cè)脈動電流，穩(wěn)定直流側(cè)輸出電壓電流，從而提高蓄電池使用壽命，其體積和重量對控制器的功率密度有很大影響。因此，IGBT功率模塊和直流側(cè)支撐電容是提高控制器性能和成本控制的關(guān)鍵。
為了提高IGBT功率模塊的運行性能和可靠性，并降低成本，中國科學(xué)院電工研究所聯(lián)合國內(nèi)功率模塊封裝企業(yè)進行具備自主知識產(chǎn)權(quán)的國產(chǎn)智能IGBT功率模塊研發(fā)。在IGBT設(shè)計方面進行了大量分析優(yōu)化和工藝設(shè)計工作。
中國科學(xué)院電工研究所應(yīng)用智能IGBT功率模塊和金屬膜電容技術(shù)所研制的60kW高功率密度電機控制器的重量比功率為4kW/kg，體積比功率為6kW/L。并且成功應(yīng)用于力帆LF620純電動警務(wù)車，服務(wù)于2010年上海世博會。
2.高功率密度車用電機
目前，電動汽車用電動機主要有異步電機、永磁電機和開關(guān)磁阻電機。電動車輛的驅(qū)動電機屬于特種電機，是電動汽車的關(guān)鍵部件。要使電動汽車有良好的使用性能，驅(qū)動電機應(yīng)具有較寬的調(diào)速范圍及較高的轉(zhuǎn)速，足夠大的啟動扭矩，體積小、質(zhì)量輕、效率高且有動態(tài)制動強和能量回饋的性能。目前電動汽車所采用的電動機中，直流電動機基本上已被異步電動機、永磁同步電機或開關(guān)磁阻電機所取代。
由于永磁同步電機具有結(jié)構(gòu)緊湊、效率高、功率密度高的優(yōu)勢，近年來廣泛用于電動汽車應(yīng)用。為了進一步滿足車輛應(yīng)用的特殊需求，混合勵磁電機、盤式電機等新型特種電機也應(yīng)用于車用領(lǐng)域。電動汽車所用的電機正在向大功率、高轉(zhuǎn)速、高效率和小型化方向發(fā)展。
(1)永磁同步電機
電機是以磁場為媒介進行電能和機械能相互轉(zhuǎn)換的電磁裝置，在電動汽車中起到了將電池中的電能裝換為驅(qū)動車輛的機械能，或?qū)⑵囆柚苿訒r多余的機械能轉(zhuǎn)換為電能存儲在電池中。為了在電機內(nèi)建立進行電能轉(zhuǎn)換所必需的氣隙磁場，可以采用電機內(nèi)繞組通以電流來產(chǎn)磁場，另一種是由永磁體產(chǎn)生磁場。由于稀土鈷永磁體和釹鐵硼永磁體都是高剩磁、高矯頑力、高磁能積永磁體，用于制造永磁電機可以獲得較強的氣隙磁場，減小了電機體積，質(zhì)量輕，損耗小，效率高，電機的形狀和尺寸靈活多樣，適合于車用電機高功率密度的需求。
永磁同步電機在運行過程中定子繞組通以三相對稱電流，在電機氣隙中建立與電機轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)磁場，通過控制算法調(diào)節(jié)電流的相位與頻率，實現(xiàn)電機在全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的穩(wěn)定運行。
(2)混合勵磁電機
永磁電機的永磁磁鏈無法調(diào)節(jié)的缺點，在恒定供電電壓下帶來了弱磁控制問題：車輛動力性能要求電機系統(tǒng)在高轉(zhuǎn)速下需要較寬的恒功率調(diào)速范圍保證車輛的高速性能。由于受到電池電壓的限制，目前大部分永磁電機系統(tǒng)采用增加定子繞組去磁電流的方法抵消永磁磁場，從而達到恒定供電電壓下弱磁調(diào)速的目的。但這種方法降低了系統(tǒng)效率和功率因數(shù)，增加了控制器成本，同時還存在深度弱磁控制時穩(wěn)定性差和高速失控時的電壓安全問題?；旌蟿畲烹姍C是解決以上問題的可行技術(shù)。
混合勵磁電機在永磁電機與電勵磁電機的基礎(chǔ)上演變而來，通過在永磁電機中引入電勵磁繞組使電機獲得勵磁可控的性能，電機更適合于寬速度范圍、高弱磁比的應(yīng)用場合，彌補了單一勵磁方式的不足。中國科學(xué)院電工研究所以旁路式混合勵磁電機為研究對象，在電機結(jié)構(gòu)、電機參數(shù)特性、電機數(shù)學(xué)模型及勵磁電流規(guī)劃等方面進行了深入的研究。旁路式混合勵磁電機最大程度繼承永磁電機高效、高功率密度的優(yōu)點，電機勵磁主要由永磁磁勢提供，電勵磁磁勢主要用與增強或削弱主磁路磁通，通過調(diào)節(jié)電勵磁電流的大小實現(xiàn)電勵磁助磁與弱磁功能。
混合勵磁電機具有助磁和弱磁兩個工況：(1)助磁工況：電勵磁助磁工況下的磁路。N極側(cè)的電勵磁磁力線從電勵磁端蓋通過軸向氣隙進入電機轉(zhuǎn)子N極，與永磁體磁力線一同通過主氣隙與電樞繞組交鏈，一部分磁力線通過端蓋閉合，另一部分磁力線通過電機軛部與主氣隙進入轉(zhuǎn)子S極，通過S極側(cè)軸向氣隙進入電勵磁旁路閉合。
(2)弱磁工況：電勵磁弱磁通過勵磁電流反向?qū)崿F(xiàn)，反向的電勵磁磁勢與永磁體磁勢建立與助磁工況下電勵磁旁路中相反的磁力線方向，部分永磁體磁力線不經(jīng)過主氣隙與電樞繞組交鏈，實現(xiàn)電機弱磁運行。
綜合來看，與傳統(tǒng)無刷永磁電機相比，旁路式混合勵磁電機具有顯著優(yōu)點：如低速時增大勵磁以提高輸出轉(zhuǎn)矩；高速運行時減小或反向勵磁從而拓寬電機的恒功率弱磁區(qū)；降低電機在高速運行下的鐵損，提高效率；動態(tài)調(diào)節(jié)勵磁電流大小，提高負載變化時發(fā)電電壓動態(tài)性能；減小電樞反應(yīng)弱磁磁勢，降低永磁體高溫運行時的失磁風(fēng)險等?；旌蟿畲攀俏磥碥囉糜来烹姍C的一個重要發(fā)展趨勢。
3.車用電機控制技術(shù)
針對電機控制系統(tǒng)強非線性、參數(shù)變化，以及汽車對電機系統(tǒng)高速和寬調(diào)速范圍的一些需求，中科院電工所重點圍繞高性能電機驅(qū)動系統(tǒng)適用于車用工況的安全可靠與高效節(jié)能運行控制的技術(shù)難點，提出了死區(qū)補償技術(shù)，解決了純電動汽車低速輕載工況的低速脈動問題；提出了基于單調(diào)節(jié)器的深度弱磁控制方法和解耦控制技術(shù)，解決了電動汽車電機驅(qū)動系統(tǒng)高速運動控制和高速發(fā)電控制難題。
隨著純電動汽車的發(fā)展，對電機的恒功率弱磁特性要求越來越高，人們希望電機的輸出特性能夠完全覆蓋汽車的驅(qū)動特性，從而省去變速機構(gòu)，節(jié)省空間體積和成本。因此，弱磁控制成為車用電機控制的重要研究方向之一。而經(jīng)中科院電工所研究發(fā)現(xiàn)，目前常用的雙電流環(huán)弱磁控制中，存在發(fā)生不可逆的失控可能，造成嚴重的系統(tǒng)故障和安全隱患。電工所致力于弱磁控制多年，提出了性能可靠、全局受控的弱磁控制策略，經(jīng)試驗驗證恒功率區(qū)可達1:6，完全滿足車用需求。
四、總結(jié)我國在傳統(tǒng)內(nèi)燃機車輛方面較國外存在一定差距，但是電動汽車正處在起步階段，我國在電機驅(qū)動領(lǐng)域積累了豐富的經(jīng)驗和扎實的理論，近年來也在電動汽車關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)方面投入較大，培育了大批的研發(fā)機構(gòu)和生產(chǎn)企業(yè)，雖然目前的發(fā)展中存在困難和曲折，但是并沒有改變政府和產(chǎn)業(yè)界發(fā)展電動汽車的決心。雖然傳統(tǒng)內(nèi)燃機車輛還占據(jù)目前車輛市場的絕對主導(dǎo)，但是發(fā)展清潔的電動汽車在能源、環(huán)境和技術(shù)方面都是大勢所趨。伴隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，電動汽車將會迎來進入尋常百姓家的一天。
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