电动汽车驱动电机系统的发展现状及发展趋势.docx

电动汽车驱动电机系统的发展现状及发展趋势驱动电机系统为电动汽车的关键部件，直接影响电动汽车的性能和可靠性。我国从20世纪80年代开始，伴随着电动汽车产业的发展，国内外有大量的研究机构和企业进行电动汽车驱动电机系统的研究开发。通过多年的发展，国内外驱动电机系统的技术均取得了明显进步。国外从20世纪80年代开始进行驱动电机系统的研究，目前已构建了较为完善的驱动电机系统开发体系和生产制造体系，开发出一系列具有较强的竞争力的驱动电机系统产品。我国是从20世纪90年代开始进行驱动电机系统研究的，特别是从2001年起，科技部开始实施十五至十三五连续四个五年计划的电动汽车重大专项计划，加上国家发展改革委、财政部、工信部等部委的各种政策支持，我国电动汽车产销量已连续几年居于世界首位，占全球产销量的50%以上。伴随着电动汽车的快速发展，我国驱动电机系统技术及其产业化得到了长足的进步，具体体现在：构建了较完善的永磁同步驱动电机系统和异步驱动电机系统开发平台。(2)开发出功率(峰值功率)等级10250kW的风冷和水冷用异步驱动电机系统和永磁同步驱动电机系统，批量应用于纯电动及混合动力商用车、乘用车和物流车。其中部分产品批量出口欧美国家。(3)电机的功率密度、最高效率和最高转速等主要性能指标与国外产品相当。表1-6为目前已实现的十二五国家科技支撑计划规定的驱动电机系统的主要指标。表1-7为十三五国家重点研发计划规定的驱动电机的主要指标。表1-6十二五国家科技支撑计划规定的驱动电机系统主要指标指标要求电机功率密度/(kWkg)21.8控制渊重量密度/(kWVkg)24.0系统最高效率仅293驱动电机系统高效区(280%)/%265表1-7十三五国家重点研发计划规定的驱动电机的主要指标驱动电机类型项目指标高效轻量化乘用车驱动电机量产峰值功率密度（23OS）23.2kW.kg连续功率密度>2.2kWkg最高转速三12000rmn驱动电机系统最高效率>93%下代峰值功率密度（23OS）4kW,kg连续功率密度>2.5kW.kg最高转速215000rmm驱动电机系统最高效率>92%高效高转矩密度商用车电机驱动电机峰值转矩密度（26OS）18Nn,kg连续转矩密度>10Nmkg电机最高效率>96%最高转速（直驱）3200rmin轮毂电机（A级和AOO级纯电动轿车）轮毅电机峰值功率密度（23OS）2.5kWkg峰值转矩密度18Nm,kg连续功率密度>1.8kWkg驱动电机系统最高效率>90%最高转速1500rzmn量产轮边电机（A级和AOO级纯电动轿车）峰值功率密度（23OS）23.2kW.kg峰值转矩密度18Nm-,kg连续功率密度>2.0kWkg驱动电机系统最高效率>92%最高转速12000-1SOOOrZmui（4）电机和控制器的制造工艺水平和批量制造能力达到国际先进水平。（5）驱动电机系统的功能安全、电磁兼容性等日趋完善，如电磁兼容水平达到Vehicles,boatsandinternalcombustionengines-radiodisturbanceCharacteristics-IimitsandmethodsofmeasurementfortheprotectionOfon-boardreceivers（车辆、船和内燃机-无线电干扰特性车载接收机保护的限值和测量方法）（QSPR25:2006）所规定的CIaSS3。（6）电机和控制器主要材料及零部件实现国产化，一直是发展瓶颈的关键材料和元器件的IGBT芯片、IGBT模块、SiC芯片和模块、控制芯片以及轴承等均有替代产品并得到部分批量应用。构建了比较完善的驱动电机系统的标准体系（表1-8）o表1-8驱动电机系统标准一览表序号标准号标准名称1GBT18488.12015电动汽车用驱动电机系统第1部分：技术条件2GBT18488.22015电动汽车用驱动电机系统第2部分：试验方法3GB.T293072012电动汽车用驱动电机系统可靠性试验方法4GB/T362822018电动汽车用驱动电机系统电磁兼容性要求和试验方法5GBT380902019电动汽车驱动电机用水磁材料技术要求6GB-T342152017电动汽车驱动电机用冷机无取向电工钢带（片）7QC/T10682017电动汽车用异步驱动电机系统8QCZT10692017电动汽车用永磁同步骤动电机系统9QCT8932011电动汽车用驱动电机系统故障分类及判断10QCT8962011电动汽车用驱动电机系统接口尽管经过多年的技术攻关和市场应用，驱动电机系统技术取得了很大进步，基本能满足目前电动汽车的应用需求，但距用户对未来零部件性能的要求仍有较大的差距。驱动电机系统的发展目标是进一步提升“6H1L所涉及的内容。电动汽车对驱动电机系统的要求可以概括为6H1L：6H为高功率密度(highpowerdensity)>高体积密度(highvolumedensity)>高效率(highefficiency)>高可靠性(highreliability)>高品质(highquality)和高安全性(highsafety),其中高品质指低振动噪声、低转矩脉动和良好的电磁兼容性；IL为低成本(IOWcost)o为达到上述目标，各国均提出了具体的目标，典型的有美国能源部所提出的2025年电机电控发展路线图和中国汽车工程学会于2020年发布的节能与新能源汽车技术路线图2.0。表1-9为美国2025年电机电控发展路线图中对100kW功率等级的驱动电机系统所提出的关键技术指标。表1-9驱动电机系统关键技术指标目标值(美国2025年计划)指标2020年2025年驱动电机功率密度/(kW/kg)1.625.7驱动电机体积密度/(kW%g)5.7250控制器体积密度/(kW%g)13.42100驱动系统最高效率/%95297驱动电机成本/(美元ZkW)4.73.3控制器成本/(美元ZkW)3.33.7驱动电机系统的可靠性15年/15万mi15年/30万mi注：Imi=1.609344km表1-10和表1-11分别为我国节能与新能源汽车技术路线图2.0中对驱动电机系统和电驱动总成所提出的关键技术指标。需要说明的是，节能与新能源汽车技术路线图2.0所给定的数值为具体值,而表1-10和表1-11将这些数值作为下限(即用符号"表示)或者上限(即用符号F表示)，并且将扭矩改为"转矩。表1-10驱动电机系统关键技术指标目标值(中国)部件第标2025年2030年2035年乘用车用驱动电机功率密度/(kWkg)25.026.027.0高效区(效率超过80%)/%290293295成本/(元kW)282520乘用车用控制8功率密度/(kWkg)240250270成本/(元ZkW)302520表1-11电驱动总成关键技术指标目标值(中国)部件指标2025年2030年2035年纯电动咏动电机系统总成功率旬宽/(kWkg)2.0去2.423.0踪合使用效率(CLTC)/%287288590机电耦台总成童最相对十2020年降低20%相对于2020年降低35%相对于2020年降低50%综合使用效率/%28384.5286商用车期动电机转矩密度/(Nmkg)20224230商用车控制器功率密度/(kWL)30240260轮般电机峙值转出/(Nmkg)220224230轮边电机功率密度/(kWkg)-5云67注：CLTC为Chinalight-dutyvehicletestCyde,中国仲用汽行驶【况,为实现驱动电机系统的上述目标，驱动电机系统下一阶段的技术发展趋势如下：永磁化：由于永磁驱动电机具有效率高、功率密度高等先天优势,随着永磁驱动电机设计制造技术及控制技术的日臻完善，永磁驱动电机将成为驱动电机的主流。高速化：正如第三章将要描述的，提升电机的转速是提升功率密度和降低成本较为明显的方法。集成化：集成化是指对电机、控制器及机械传动系统，甚至是电气系统等进行不同程度的集成，通过集成可以降低整个驱动电机系统的质量、体积、成本。第二章将对集成技术进行阐述。数字化：数字化主要指控制系统的数字化，包含硬件与软件两方面。硬件数字化指通过采用高速、高集成度、低成本的专用芯片，使控制电路更为小型化、集成化；软件数字化则体现在电机控制算法（通过采用高性能的转矩转速控制和在线辨识、可靠的故障监控和系统保护、自动适应恶劣工况的变化的控制系统，提升控制系统的稳定性和自适应性等）和具有完善的可靠性测试和高安全性的软件架构上。平台化和模块化：通过驱动电机系统的平台化和模块化，可以缩短开发周期并降低驱动电机系统的成本。发展趋势低成本高速化永磁化集成化高品质实施路径图1-8实现驱动电机系统目标的实施路径为实现上述目标的主要实施路径，主要包括以下研究内容:基础理论的研究：经过一百多年的发展，电机，包括驱动电机的基础理论和工程实践已非常完善，经过近60年的发展，控制器和控制理论也日趋完善，可发展性潜力有限。尽管如此，这些基础理论依旧是驱动电机系统设计和研究的基础。设计方法的研究：同样经过长期的发展，尤其是设计软件的多样化及功能的日趋完善，为驱动电机系统的设计提供了非常便利的条件。但驱动电机系统是一个多学科融合的系统，涉及机械、功率电子、微电子和材料等学科。因此在掌握这些软件的同时，知晓单独的电机、控制器和控制策略的设计要求及设计流程是产品设计的基础，熟悉驱动电机系统之间以及与关联对象的相互影响，是设计出系统最优的驱动电机系统的前提。另外，不断提升的转矩密度、功率密度和成本等要求使得设计不断超越以往经验的极限，驱动电机系统的材料利用已达到极限，其内部的电磁场、应力场、温度场和流体场相互耦合和相互影响，因此进行多物理场的耦合设计是设计方法的最高境界。(3)材料和元器件的发展：应该说，每一次电机和控制器的技术进步均是依托材料和元器件的进步而发展的。电机和控制器新的应用需求也对材料和元器件的性能提出了更高要求，促进其不断发展。对于驱动电机系统设计者，首要的任务是了解现有材料和元器件的特点和性能，选择合适的材料和元器件。(4)新型驱动电机系统拓扑结构的研究：包括控制器的主电路、永磁电机的磁路结构和绕组结构、新型电机结构(如记忆电机、变磁通电机、多相电机、容错电机、混合励磁电机等)。严格意义上讲，由于电机和控制器理论的完善，驱动电机系统不存在新的拓扑结构,但根据电动汽车特定的运行场景，选择合适的拓扑结构，将该拓扑结构用到极致，则是研究者追求的目标。(5)控制策略的研究：基于矢量控制或者直接转矩控制的驱动电机控制策略已较为完善，但电动汽车“高效、高动态稳定性的应用特点向电机控制器策略提出了新的研究需求。(6)可靠性和耐久性技术研究：目前针对驱动电机系统可靠性的理论和实践尚不成熟，除了按照汽车行业质量管理体系汽车生产件及相关服务件应用ISO9001:2015的特别要求(IATF16949:2016)对驱动电机系统的开发、生产、试验等方面进行管理，并按照相应的质量控制工具开展相关工作外，开展驱动系统环境适应性、电磁兼容性、试验验证技术和批量制造技术等方面的研究，是提升驱动电机系统可靠性的重要手段。开展''材料-部件-整机-系统分层分级的耐久性和寿命预测与研究，是预测驱动电机系统寿命和可维护性的重要基础工作。(7)安全性的研究：作为车载高压电气设备，安全性是驱动电机系统的红线。安全性包括侧重于硬件的高压安全和侧重于软件的功能安全软件构架。(8)振动噪声技术的研究：作为车载设备，驱动电机系统的振动噪声是影响司乘人员舒适性的重要指标，目前，驱动电机振动噪声研究是最薄弱的环节，包括机理、噪声预测、噪声测量评价方法以及噪声抑制手段等。振动噪声的产生机理非常复杂，主要体现在:振动不仅与电机本体有关，还与整车的机械耦合关系、机械传动系统的耦合关系、控制器的输出谐波等密切相关，驱动电机-减速箱-电机控制器三合一的集成更是给噪声研究提出了新的挑战。这些均为下一阶段驱动电机系统的研究提出了新的课题。(9)成本技术的研究：驱动电机系统的成本直接影响电动汽车的推广应用。但成本技术是一个复杂的问题，贯穿于驱动电机系统的需求评估、设计、生产、试验和运用等全生命周期，涉及设计、生产制造、供应链、试验和维护等多方面的技术。在满足总体要求前提下，降低材料用量、采用合适的材料、采用适合批量生产的设计技术、模块化、系列化等均是降低成本的有效手段。