車用電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)發(fā)展趨勢 高效數(shù)字集成

　　電動汽車的發(fā)展有賴于核心技術(shù)的發(fā)展，亦即電池、電機(jī)驅(qū)動和整車電控的發(fā)展。在電動汽車的分類及其發(fā)展?fàn)顩r的基礎(chǔ)上，應(yīng)重點關(guān)注電動汽車對電機(jī)驅(qū)動技術(shù)的需求，高效化、數(shù)字化和集成化成為車用電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展趨勢。

　　任何電動車都需要電機(jī)

　　電動汽車包括純電動汽車、混合動力電動汽車和燃料電池電動汽車三類。純電動汽車由蓄電池提供電能，車載電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的變流器將直流電通過PWM調(diào)制變?yōu)轭l率和幅值可控的交流電提供給電機(jī)，電機(jī)產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩通過變速箱驅(qū)動電動汽車運動。純電動汽車的技術(shù)瓶頸在于蓄電池。當(dāng)前最有希望的純電動汽車用能量型蓄電池是磷酸鐵鋰電池，磷酸鐵鋰電池安全性好，能量密度達(dá)到80~120wh/kg，循環(huán)壽命有望達(dá)到2000次，預(yù)計到2012年每瓦時的成本可以下降到1.0 ~ 1.5元，即一臺續(xù)駛里程為200公里的電動汽車電池成本可以控制在3萬元左右。到目前為止，日產(chǎn)推出了Leaf純電動汽車、BMW推出了MINI E，我國政府和汽車廠商也十分重視純電動汽車的發(fā)展，包括一汽、奇瑞、北汽等在內(nèi)的我國主要汽車制造廠在2010年北京車展上都紛紛推出了純電動汽車原型車。

　　混合動力電動汽車有兩種動力來源：內(nèi)燃機(jī)和電機(jī)，即混合動力汽車的動力系統(tǒng)包括內(nèi)燃機(jī)和電機(jī)，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。利用電機(jī)寬范圍高效和可四象限運行的特點，當(dāng)阻力大時利用電機(jī)提供助力，阻力小時利用電機(jī)發(fā)電，從而使內(nèi)燃機(jī)一直工作在最優(yōu)效率區(qū)內(nèi)，提高了整個系統(tǒng)的能量利用率。因此，混合動力汽車的內(nèi)燃機(jī)不僅排量小于普通內(nèi)燃機(jī)汽車，且能耗降低5%~50%。以豐田PRUIS為例，PRUIS裝有一臺1.5升的發(fā)動機(jī)，但其動力性能相當(dāng)甚至高于2L普通內(nèi)燃機(jī)汽車，從油井到車輪的效率從16~18%提高到32%。到目前為止，豐田混合動力累計銷售已超過200萬臺，標(biāo)志著混合動力電動汽車進(jìn)入了大規(guī)模市場化。

　　燃料電池電動汽車采用質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)發(fā)電，其燃料是車載的氫燃料和空氣中的氧氣，氫氧化合后產(chǎn)生電能和水，所以燃料電池電動汽車是一種零排放電動汽車。在燃料電池電動汽車中，燃料電池發(fā)出的電具有電壓變化范圍大、動態(tài)響應(yīng)較差的特點，通常需要經(jīng)過一級直流—直流變換器（DC – DC）升壓、穩(wěn)壓，與電池一起為電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)供電。

　　自上世紀(jì)60、70年代以后，美國等西方各國將燃料電池的軍事和航天應(yīng)用轉(zhuǎn)向民用發(fā)電和作為汽車、潛艇等的動力源，世界各著名汽車公司相繼投入大量的人力和物力開展燃料電池電動汽車的開發(fā)研究。上述努力在2002年~2003年左右達(dá)到一個高峰。2002年6月，在加拿大召開了第14屆世界氫能源大會，提出了以燃料電池為主導(dǎo)產(chǎn)品的氫能源社會的概念。由此，發(fā)展氫社會成為人類社會能源革命的重大焦點，《時代周刊》將燃料電池列為21世紀(jì)10大高科技之首。布什總統(tǒng)在2002年宣布出臺"Freedoncar"計劃，確定將使用燃料電池成為社會上的主要能源，首先在汽車產(chǎn)品上應(yīng)用。美國通用公司CEO格瓦納說：通用公司的目標(biāo)是在2010年生產(chǎn)電動汽車100萬輛，最主要的是燃料電池混合動力的電動汽車。福特公司CEO比爾·福特說：在25年內(nèi)，福特公司將在75%的輕型汽車上采用混合動力電動汽車。但是，到2010年為止，燃料電池電動汽車的推廣依然存在著電池成本高、儲氫技術(shù)和加氫站基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等問題，燃料電池電動汽車的大規(guī)模市場化日程又一次被推遲。

電動汽車推動電機(jī)行業(yè)發(fā)展

　　永磁化成電機(jī)驅(qū)動技術(shù)重要發(fā)展方向之一。

　　電動汽車對于電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的要求可以歸納為：低速大轉(zhuǎn)矩。該要求來源于爬坡和汽車起動初始加速度的要求；寬恒功率區(qū)，電動汽車電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)要求恒功率區(qū)是恒轉(zhuǎn)矩區(qū)的3~10倍。該要求來源于汽車高速行駛和高速超車的動力要求；電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)效率達(dá)到80%及以上的區(qū)域要大于50%。該要求來源于電動汽車要求全工作范圍要求高效；高功率密度，如電機(jī)功率密度大于1kW/kg，控制器容量密度3~4kVA/kg及以上。該要求來源于整車空間和高效節(jié)能的要求；嚴(yán)酷的運行環(huán)境，通常電動汽車電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)要求工作環(huán)境溫度為（-40°C到105°C），最高振動加速度大于10g；高可靠性。通常電動汽車電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的壽命為20萬公里以上；低成本。美國FCVT計劃提出要將電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的成本降到每千瓦8~12美元。

　　因此，電動汽車對電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的要求催生了電動汽車電機(jī)驅(qū)動技術(shù)的發(fā)展趨勢，即高效永磁化、數(shù)字化和集成化。

　　在電動汽車電機(jī)驅(qū)動技術(shù)方面，受到車輛空間限制和使用環(huán)境的約束，電動汽車用電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)不同于普通的電傳動系統(tǒng)，它要求更高的性能、體積/重量密度更高、環(huán)境溫度更高，用于普通電機(jī)驅(qū)動的電力電子與電機(jī)技術(shù)已經(jīng)不能適應(yīng)其要求。在電動汽車驅(qū)動技術(shù)的研發(fā)方面，車用電機(jī)系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展趨勢基本可以歸納為著高效永磁化、數(shù)字化和集成化。

　　永磁電機(jī)具有效率高、比功率較大、功率因數(shù)高、可靠性高和便于維護(hù)的優(yōu)點。采用矢量控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)，可使永磁電動機(jī)具有寬廣的調(diào)速范圍。因此，電機(jī)的永磁化成為電機(jī)驅(qū)動技術(shù)的重要發(fā)展方向之一。

　　數(shù)字化也是未來電機(jī)驅(qū)動技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。數(shù)字化不僅包括驅(qū)動控制的數(shù)字化，驅(qū)動到數(shù)控系統(tǒng)接口的數(shù)字化，而且還應(yīng)該包括測量單元數(shù)字化。隨著微電子學(xué)及計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，高速、高集成度、低成本的微機(jī)專用芯片以及DSP等的問世及商品化，使得全數(shù)字的控制系統(tǒng)成為可能。用軟件最大程度上地代替硬件，除完成要求的控制功能外，還可以具有保護(hù)、故障監(jiān)控、自診斷等其他功能。全數(shù)字化是電動車控制乃至交流傳動系統(tǒng)的重要發(fā)展方向之一。

　　電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的集成化有兩個方面：其一是電機(jī)與發(fā)動機(jī)總成或電機(jī)與變速箱的集成：電機(jī)驅(qū)動技術(shù)向著集成化的方向發(fā)展有利于減小整個系統(tǒng)的重量和體積，并可以有效的降低系統(tǒng)的制造成本，如本田的ISG系統(tǒng)，豐田的THS系統(tǒng)；將電動汽車驅(qū)動控制器的開關(guān)器件、電路、控制、傳感器、電源和無源器件都集成到標(biāo)準(zhǔn)的模塊中構(gòu)成電力電子組件（Power E1ectronic Building B1ock—PEBB)，這種集成方法可以較好地解決不同工藝的電路之間的組合和高電壓隔離等問題，具有較高的集成度，也可以比較有效地減小體積和重量，但目前還存在分布參數(shù)、電磁兼容、傳熱等具有較高難度的技術(shù)問題，并且尚不能有效地降低成本，達(dá)到較高的可靠性。

　　近年來，車用電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)技術(shù)取得了較大進(jìn)展。進(jìn)入21世紀(jì)以來，美國能源部組織開展了The FreedomCAR and Vehicle Technology (FCVT）計劃，F(xiàn)CVT計劃旨在發(fā)展先進(jìn)汽車技術(shù)以改變美國當(dāng)前的能源消費結(jié)構(gòu)、促進(jìn)能源安全。在FCVT項目中有7個子項目，電力電子與電機(jī)是其中之一。在美國能源部的組織下，由多個研究機(jī)構(gòu)及汽車廠商及相關(guān)公司組成了FreedomCar聯(lián)盟，共同開展面向汽車應(yīng)用的先進(jìn)電力電子技術(shù)的研究，已取得顯著進(jìn)展，同時國際汽車巨頭、電氣廠商也取得了很大成績，當(dāng)前國外先進(jìn)電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)技術(shù)水平現(xiàn)狀如表1所示。雖然總體來說電機(jī)驅(qū)動技術(shù)已經(jīng)取得很大進(jìn)步，但是產(chǎn)品成本距離大規(guī)模市場化距離依然最大。

　　"十五"以來，國家科技部啟動了電動汽車重大專項，對于我國電動汽車產(chǎn)業(yè)化發(fā)展起到了重大作用。下表以電機(jī)驅(qū)動技術(shù)的發(fā)展為例，我國在車用電機(jī)某些單項指標(biāo)中已經(jīng)接近或達(dá)到國際先進(jìn)水平，但是在電力電子集成、熱管理以及批量生產(chǎn)工藝方面我們與世界先進(jìn)水平還是存在相當(dāng)差距。隨著國家電動汽車相關(guān)計劃的實施，我們有理由相信，我國電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)技術(shù)與國際水平的差距將進(jìn)一步縮小。

　　電動汽車依據(jù)能源或動力來源分為純電動、混合動力和燃料電池三類，電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)是其三大核心技術(shù)之一。文章回顧了電動汽車的發(fā)展歷史，對電動汽車電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)技術(shù)要求進(jìn)行了綜述，指出電動汽車電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展趨勢為永磁化、數(shù)字化和集成化。