電動汽車電控系統發展現狀及其趨勢

臧超

電池技術、電機驅動及其控制技術、能量管理技術以及電動汽車整車技術為電動汽車四大關鍵技術。電控系統用于控制電池、電機等組件，其功能包括：電池管理，發動機、電動機能量管理等。

1電控系統組成及其原理

電控系統由ECU等控制系統、傳感器等感應系統、駕駛員意圖識別等子系統組成。電控系統的材料成本占比不高，但需要經過多次試驗才能掌握關鍵算法，尤其是混合動力汽車涉及油、電混合的控制策略，技術壁壘較高。

電機控制器作為新能源汽車中連接電池與電機的電能轉換單元，是電機驅動及控制系統的核心，主要包含IGBT功率半導體模塊及其關聯電路等硬件部分以及電機控制算法及邏輯保護等軟件部分。

電機驅動控制系統（包括驅動電機和電機控制器）是新能源汽車車輛行使中的主要執行結構，控制和驅動特性決定了汽車行駛的主要性能指標。

一般來講，電機控制器的主要由如下幾部分組成：

（1）電子控制模塊（ElectronicController）包括硬件電路和相應的控制軟件。硬件電路主要包括微處理器及其最小系統、對電機電流，電壓，轉速，溫度等狀態的監測電路、各種硬件保護電路，以及與整車控制器、電池管理系統等外部控制單元數據交互的通信電路?？刂栖浖鶕煌愋碗姍C的特點實現相應的控制算法。

（2）驅動器（Driver）將微控制器對電機的控制信號轉換為驅動功率變換器的驅動信號，并實現功率信號和控制信號的隔離。

（3）功率變換模塊（PowerConverter）對電機電流進行控制。電動汽車經常使用的功率器件有大功率晶體管、門極可關斷晶閘管、功率場效應管、絕緣柵雙極晶體管以及智能功率模塊等。

2電控系統研究現狀及技術方向

目前，電動汽車電機控制器多采用三相全橋電壓型逆變電路拓撲，部分產品前置雙向DC/DC變換器，以增大電機端輸入交流電壓，提升高轉速下的輸出功率，降低電機設計與生產成本。傳統控制器中直流支撐電容器體積龐大、耐高溫性能較差。

為減小直流支撐電容器體積甚至取消直流支撐電容器，新型變換器電路拓撲和控制方法成為電動汽車應用研究的新熱點，但尚處于實踐探索階段。

目前電動汽車用變流器的研發重點仍然多集中在電力電子集成方面。

綜合技術和市場趨勢分析，未來，車用驅動電機系統的三個技術發展方向是永磁化、數字化和集成化。

（1）永磁化指永磁電機具有功率密度和轉矩密度高、效率高、便于維護的優點。目前電機永磁化趨勢正凸顯，一覽眾咨詢數據顯示，永磁同步電機在我國新能源汽車中的使用占比已超過90%。

（2）數字化包括驅動控制的數字化、驅動到數控系統接口的數字化和測量單元數字化。用軟件最大程度地代替硬件，具有保護、故障監控、自診斷等其他功能。

（3）集成化主要體現在兩個方面：①電機方面：電機與發動機總成、電機與變速箱總成的集成化;②控制器方面：電力電子總成（功率器件、驅動、控制、傳感器、電源等）的集成化。未來把電機、減速機、控制器一體化，是一種趨勢，不僅減小了體積，更使得產品更加標準化。

雖然國內外控制器技術存在差異，但從2015年開始，新能源汽車產品類型多樣化，對不同的控制器需求更加豐富。單從數量來看，目前我國電動汽車電機控制器市場主要由國產品牌占據，外資產品因其價格較高等原因，在市場的培育和初期發展階段所占份額較小。

3國內外電控技術差異及趨勢

目前，國內驅動電機產業發展較快，整體水平達到國際先進水平。國內整車匹配電機基本為本土生產。國內外的差距主要表現在零部件和整車的同步開發。

（1）電機

我國經過10多年的發展，在國內的商用車（包括客車、卡車），還有乘用車、專用車（主要包含物流車）應用方面，當前國內已經完全具備了滿足這些新能源汽車要求的驅動電機和電機控制器的研發和制造能力，而且從產能來講的話，也是完全可以滿足需求。

在驅動電機方功率密度、效率等指標，和國外先進水平基本相當。

以日產Leaf純電動轎車為例，電機重量約為60Kg，峰值功率約為80Kw，作為對標產品，國內的技術水平在功率密度和效率基本處于同一水平。

在“十三五”國家規劃中，明確提出電機效率超過4Kw/Kg，國內部分企業的量產產品已經實現該目標，但是相較于國際最先進的產品水平，在控制器的體積上相差一倍以上。

從電機本身角度來看，我國同國外企業在正向設計水平基本處于同一水平，同時也在向高密度和小型輕量化這方向不斷拓展。

但從生產裝備和工藝來說，國內由于單一產品的規模仍然較小，在工藝水平和規模上同國外存在一定差距。

（2）電機控制器

國內的電力電子技術起步相對較晚，功率電子一直是制約我們國內電機控制器發展的瓶頸。

差距主要體現在功率器件技術，功率器件技術也不單單指模塊，也包含芯片的研發技術、封裝材料和封裝工藝技術，還涉及到電機控制器的集成技術。

因為這些技術的時間差，使得國內電機控制器的功率密度水平和國外量產的產品比較存在有些差距。2014年這種差距是一半，國內控制器是國外同類控制器的兩倍體積。

經過這兩年的快速發展，國內電機控制器功率密度比2014年提高了50%，在這一領域和國外這個差距縮小了很多。

（3）電驅動總成測試評價

從電驅動總成測試評價方面來講，主要分為電驅動系統層面和關鍵材料與器件層面。在電驅動系統層面，包括系統總成評價、功率標定評價、帶載EMC評價、NVH評價和電安全性評價。

其中，對于功率標定評價來說，功率密度的評價維度很多，需要對各種邊界條件進行界定，保證測試方法的客觀性。

在電磁兼容方面，目前帶載測試的應用仍然較少，空載狀態與驅動電機的實際運行工況差異較大，將會導致測試結果的巨大差距。

驅動電機的NVH特性和電安全性能等也是測試評價的重要環節。

4結論

在中國乃至全球范圍內，汽車電機都是電機業中的小分支，但是汽車電機制造門檻非常高，尤其是我國的電機驅動系統與國外驅動機系統相比還存在不小的差距與不足，得益于政策的扶持和電機巨頭對市場的重視，目前中國的新能源汽車產業正在加快發展步伐。