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车用电机驱动系统技术和产业蓄势待发

发布时间:2018-09-21来源:PA再生料网

中科院电工研究所研究员 温旭辉 汽车要求电机驱动系统有更高的性能,更高的体积重量比密度,更高的耐受环境温度范围,并且能经受高强度的振动以及更低成本等。为满足以上严格甚至苛刻的要求,车用电机驱动系统技术的发展趋势基本可以归纳为永磁化、数字化和集成化。 电动汽车用电机驱动系统不同于普通的风机、水泵等工业应用。受到车辆空间限制和使用环境的约束,汽车要求电机驱动系统有更高的性能,体积重量比密度更高,耐受环境温度范围更高(冷却液入口温度>105℃),能经受高强度的振动以及成本更低等。为满足以上严格甚至苛刻的要求,车用电机驱动系统技术的发展趋势基本可以归纳为永磁化、数字化和集成化。 永磁化提供高效率 永磁电机具有效率高、比功率大、功率因数高、可靠性高和便于维护等优点,采用矢量控制的变频调速系统,可使永磁电动机具有宽广的调速范围,因此,以丰田汽车和本田汽车为代表的国际化制造商以及国内一汽、东风、长安、奇瑞等厂商均在其电动汽车中采用了永磁电机方案,推动了车用电机向永磁化方向发展。 永磁电机的主要材料、部件是钕铁硼磁钢、电工钢和高速轴承。进入21世纪以来,我国磁性材料产业年增长率超过20%。据初步统计,2004年烧结钕铁硼永磁达到27510吨(占全球总量的81%),黏结钕铁硼永磁达到1350吨(占全球总量的35%)。作为制造电机铁芯的材料,电工钢带是使用最普遍的重要磁性材料,是车用电机高效、高功率密度的保障,其成本占到了电机本体成本的20%左右。据报道日本住友电工生产的0.27mm厚电工钢带已用在混合动力驱动电机上,我国宝钢集团在“863”课题支持下,从2008年起开展了电动汽车驱动电机用电工钢带研发,我国车用驱动电机系统可望在近期采用国产的高效电工钢带。另外,要保证电动汽车历经20余万公里、经受严寒酷暑仍然可以运行,车用电机高速轴承仍需要投入开发,目前我国所研制的车用驱动系统大多采用进口的高速轴承。 逆变器数字化是趋势 在电动汽车中,由燃料电池或蓄电池提供的直流电能,通过一个或多个逆变器将其转换成交流电能驱动永磁电机运动,其中车用电机驱动控制器由逆变器和电机的控制电路构成。到目前为止,由于电动汽车的直流电压大多低于600V,逆变器都采用三相两电平结构和1200V以下的IGBT模块,其中逆变器的核心器件IGBT和电容的成本占到了电机驱动控制器成本的50%以上。在混合动力汽车应用中,为了简化冷却系统、降低整车成本,对车用电机驱动系统提出了冷却液入口温度大于105℃的要求,这个要求除提高了电机绝缘等级和钕铁硼磁钢的等级外,市场上广泛使用的150℃结温IGBT不能满足要求,需要使用175℃结温IGBT,并仔细设计高换热效率的散热器系统。 逆变器控制系统数字化也是未来电机驱动技术发展的必然趋势。数字化不仅包括驱动控制的数字化、驱动到数控系统接口的数字化,而且还应该包括测量单元数字化。随着微电子学及计算机技术的发展,高速、高集成度、低成本的专用芯片以及数字信号处理器(DSP)等的问世及商品化,使全数字的控制系统成为可能。用软件最大限度地代替硬件,除完成要求的控制功能外,还应该具有保护、故障监控、自诊断等其他功能。 系统集成化降低成本 电机驱动系统的集成化包括两个方面:1.机电集成。其一是车用电机与发动机集成构成混合动力发动机总成,如本田的ISA系统;其二将车用电机与变速箱集成,如丰田混合动力系统THS。总之,车用电机与汽车发动机或变速箱集成的方向发展有利于减小整个系统的重量和体积,有效降低系统制造成本。2.将电动汽车驱动控制器的开关器件、电路、控制、传感器、电源和无源器件都集成到标准的模块中构成电力电子组件,这种集成方法可以较好地解决不同工艺的电路之间的组合和高电压隔离等问题,具有较高的集成度,也可以比较有效地减小体积和重量,但目前还存在分布参数、电磁兼容、传热等具有较高难度的技术问题,并且尚不能有效地降低成本,达到更高的可靠性。 从上世纪90年代以来,我国车用电机驱动系统的研发就得到了来自政府各方面的重视和支持,通过在电动汽车中的应用,验证了技术、锻炼了队伍。1999年末,中科院电工所、华中科技大学和哈尔滨工业大学分别研发出全数字化矢量控制的车用交流异步电机驱动系统和开关磁阻驱动系统,其技术水平达到了当时国际先进水平。进入“十五”以后,国家和企业投入进一步加大,车用电机的发展快速从技术研究向产品开发方向发展,涌现出上海电驱动有限公司,株洲南车时代电动汽车股份有限公司等专业研发生产车用电机驱动系统的产业化公司,上海电驱动有限公司还与宝山钢铁厂、宁波韵升高科磁业有限公司等关键材料部件生产厂商密切合作,形成了有利于提高产品品质、降低成本的产业链。在功率半导体方面,除Infineon、Semikron和三菱这样的国际功率半导体芯片和封装厂商一如既往地积极开拓中国市场外,嘉兴斯达半导体有限公司和江苏常州宏微科技有限公司等我国本土功率半导体生产厂商也开始投入车用驱动模块的研发。因此,我们有理由相信,利用我国在稀土材料、电机和电力电子制造等方面的优势,车用电机驱动系统技术和产业的发展将成为我国电动汽车推广的强大驱动力之一。

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