電動汽車電機驅動系統現狀與發展趨勢

朱蘇雨

【摘??要】本文對電動汽車電機驅動系統發展狀況以及所存在的問題進行羅列和分析，并總結出電機驅動系統的未來發展趨勢。

【關鍵詞】驅動電機;電機控制器;新一代IGBT技術;輪轂電機

Abstract：this?paper?lists?and?analyzes?the?development?status?and?problems?of?electric?vehicle?motor?drive?system，and?summarizes?the?future?development?trend?of?motor?drive?system.

Key?words：drive?motor，motor?controller，IGBT?technology，hub?motor.

引言

由于能源危機和環境污染問題，電動汽車即將成為新的一代科技明星。電動汽車清潔無污染、能量效率高、低噪音的優點，使得電動汽車的產業化勢不可擋。在電動汽車的產業化過程，企業和客戶都非常關注電動汽車的可靠性。驅動系統是電動汽車的關鍵部件之一，其可靠性研究不但能夠獲得電動汽車電機驅動系統的可靠性指標，為行業提供經濟適用的可靠性考核方法和可靠性考核標準，能夠大力促進我國電動汽車的產業化，加快我國電動汽車的快速發展。

一、電機驅動系統目前的研究情況

目前國內的車用驅動電機系統已達到了小批量生產的水平，包括各種類型電機以及風冷、水冷等冷卻形式，涵蓋5kW～?180kW功率范圍。部分系統指標（如比功率和系統效率）達到了國際先進水平。

系統中應用了矢量控制、直接轉矩控制等控制方法，采用了IGBT等全控型電力電子器件，DSP等先進的數字處理器，CAN總線通訊模式等控制技術，對參數辨識，效率優化，死區補償等專門的問題開展了有針對性的研究，取得了卓有成效的成果，有一大批車輛已在城市道路上進行示范運行。[1]

二、電機驅動系統目前存在的問題

電驅動系統主要由電機控制器、驅動電機組成。電動機的作用是將電源的電能轉換為機械能，并通過傳動機構驅動車輪轉動;電機控制器是連接電池與電機的能量轉換單元，是電驅動控制系統的核心，主要包含?IGBT?功率半導體模塊及相關電路等硬件部分以及電機控制算法和邏輯保護等軟件部分。電機驅動系統是新能源車輛行駛中的主要執行機構，驅動特性決定了汽車行駛的主要性能指標。[2]但是就目前電機控制系統的研發來說，還存在相當多的問題。

1.電機控制器目前存在的問題

由全球的技術研發來看，當汽車行駛在路況較復雜或交通條件較為擁堵的道路時，駕駛員需要對車輛進行頻繁的操作，相應的電機也需要時刻更換工作狀態，那么電機控制器也多數時間處于不穩定的工作狀態。在這種惡劣的操作環境下，多次頻繁地改變電機控制器的狀態可能使得其反應靈敏度降低甚至由于超負荷而造成控制器的燒毀。

2.驅動電機目前存在的問題

目前電動汽車普遍采用永磁同步電機。永磁同步電機具有效率高、轉速范圍寬、體積小、重量輕、功率密度大、成本低等優點，成為純電動乘用車市場的主要驅動電機。但是永磁同步電機面臨以下幾方面的技術難點：

（1）從功率密度方面考慮

功率的提升有兩種途徑，一種是提高扭矩，另一種是提高轉速。前者主要問題是過載電流加大，造成發熱量高，給散熱造成較大壓力;后者是高速時鐵磁損耗大，需采用高性能低飽和硅鋼片，從而使成本提高;或采用復雜的轉子結構，但影響功率密度。

（2）從材料方面考慮

永磁材料也是制約永磁同步電機性能提升的重要因素，目前常用的永磁材料釹鐵硼主要存在溫度穩定性差、不可逆損失和溫度系數較高以及高溫下磁性能損失嚴重等缺點，從而影響電機性能。

驅動電機對于電動汽車來說相當于發動機對于傳統汽車一樣是整個車的動力來源，他的重要性不言而喻，因此要想大范圍推廣電動汽車，這兩方面問題是當前急需解決的。[3]

三、未來電機控制系統的發展方向

未來電驅動主要特征有：集成化、模塊化、定制化、新材料，以實現電驅動高效率、高功率密度、高可靠性、低成本的愿景。

1.未來電機控制器的發展方向

新一代IGBT技術

IGBT功率半導體模塊是以低損耗、高頻率開關著稱，由多個IGBT芯片連接組成。在當今能源短缺的時代，為了節能減排，國家出臺了很多關于能源消耗和環保的政策，這也使得各行各業都在依照國家標準和環保理念進行改進、研發，而IGBT模塊的節能、穩定的優點，使得其市場逐漸的開闊，也進一步的促進了IGBT模塊在電動汽車行業的發展。同時，因為電動汽車的驅動電機的功率較大，IGBT芯片能適應大功率，這就使得IGBT芯片在電動汽車上的使用更加的合適和頻繁。

目前比亞迪在IGBT芯片技術已有重大成就。據比亞迪第六事業部產品總監楊欽耀介紹，比亞迪所掌握的新一代IGBT4.0技術將帶來諸多技術參數的突破，甚至在諸多關鍵技術參數上優于當前國市場主流產品。最核心的優勢包括電流輸出能力提升15%、綜合功耗降低20%以及溫度循環能力提升至行業主流產品10倍以上。據悉，這一芯片技術在2017年研發成功，并于今年投入量產。[4]

2.未來驅動電機的發展方向

驅動電機對于電動汽車來講相當于是它的肌肉組成，汽車的動力來源幾乎來自于驅動電機。就目前中國的新能源汽車的發展趨勢可知，驅動電機在國內的需求量非常大。以下便是一種未來驅動電機發展趨勢。

輪轂電機

隨著汽車的新能源化，汽車的結構更加簡單，簡單到只需要電池包和電機就可以替代傳統的發動機。但是對于傳統車輛來說，離合器、變速器、傳動軸、差速器乃至分動器都是必不可少的，而這些部件不但重量不輕、讓車輛的結構更為復雜，同時也存在需要定期維護和故障率的問題。[5]由此，輪轂電機的概念就被提了出來。傳統電動汽車的傳動方案是把電機的輸出扭矩通過變速器和差速器等傳遞到車輪。輪轂電機的技術就是將電機裝在輪轂內，不經過任何機械結構的傳遞，直接驅動車輪。

四、總結

經過本次調研我們可以得出結論：電機控制器未來的發展一定要符合市場的需求規律，乘用車電機驅動系統對電機的驅動控制精度，操控性能，安全性和穩定性等方面要求更高，隨著乘用車市場快速增長以及大型廠商在乘用車電控領域不斷投入硏發，未來有望逐步滲透進乘用車市場。目前我國規模化生產的電機控制器相比國外還比較落后，但將重點放在未來的乘用車市場將會有更好的效果。中國是世界工廠電機控制器的大規模制造將會帶來產品價格的優勢，便宜耐用將會是未來我國電機控制器最大的優勢。同時國內相關企業也應該迎合國家政策的走向，迎合大眾國民的確切需求，市場才是驅動技術革新的原動力。

參考文獻：

[1]竇汝振，李磊，宋建鋒.電動汽車用驅動電機系統的現狀及發展趨勢.中國汽車技術研究中心.2018-07-02.

[2]閆茂德，龔賢武.電動汽車驅動與控制技術.長安大學.2019-02.

[3]厚勢.新能源汽車驅動電機發展現狀及趨勢分析.第一電動網.

[4]中國又一高端芯片打破國際壟斷?電動汽車核心技術告別“卡脖子”時代.環球網.2018-12-11.

[5]驅動視界.輪轂電機和輪邊電機，誰將主宰未來？.知乎.2018-11-26.

（作者單位：長安大學汽車學院）