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| 电动汽车电机技术及其发展研究 |
| 内容简介：随着电子技术的飞速发展和进步,电子计算机的广泛应用,新材料和新技术的不断涌现,应用市场的拓宽,电动汽车电机得到了迅速发展。面对竞争日益激烈的形势,国内电动汽车电机行业正处在调整转折的时期。 |
电动汽车以电能为能源，具有零排放无污染的突出优点，以解决环保需求与能源危机问题为出发点，因此其发展受到全球广泛关注。电动汽车的发展有赖于技术的进步,尤其是需要进一步提高其动力系统的性能,降低其成本。而当前制约电动汽车发展的最关键问题之一就是电动机。
1 电动汽车电机技术的概述
1.1 电动汽车的发展
电动汽车的组成包括：电力驱动及控制系统、驱动力传动等机械系统、完成既定任务的工作装置等。电力驱动及控制系统是电动汽车的核心，也是区别于内燃机汽车的最大不同点。电力驱动及控制系统由驱动电动机、电源和电动机的调速控制装置等组成。电动汽车的其他装置基本与内燃机汽车相同。电动汽车基本上分为三类，第一类是完全由蓄电池推进的纯电动汽车；第二类是混合动力电动汽车，它的动力来自两个途径，一个途径是由发动机提供的，另外一个途径是由电动机提供的；第三类是燃料电池电动汽车，它在驱动方面是电能驱动，但是能量的载体是燃料电池——H2。作为世界能源消耗大国和环境保护重要力量，中国积极实施电动汽车科技战略，促进汽车工业产业结构升级和动力系统电动化转型，培育和发展电动汽车社会，并取得了一定效果，但仍然面临着政策环境亟需完善、工业基础薄弱、国际竞争力弱、开放协同创新环境差、知识产权保护和标准化意识低、个别关键技术有待加强、车辆成本高、商业模式探索不充分等问题。本报告在简要分析国外电动汽车社会发展现状和阶段特点基础上，着重总结我国电动汽车社会的发展历程，构成我国电动汽车社会的基础产业结构特点，电动汽车社会建设所需的政策、标准、组织保障体系发展现状，并结合新能源汽车战略性新兴产业培育和发展，提出完善我国电动汽车社会发展的建议。
1.2 电动汽车电机技术的发展
电动汽车的关键技术之一是驱动电机及电机控制系统，它的选择直接关系到电动汽车的性能及开发过程中的难度。电动汽车在不同的历史时期采用了不同的电机，最开始采用了控制性能较好并且成本较低的直流有刷电机(DCM)。随着电力电子技术及电机控制技术的发展，永磁无刷电机 (PM)、交流感应电机 (IM)、开关磁阻电机 (SRM)显示出了比直流电动机更加优越的性能，并已经逐渐淘汰了直流电动机。美国和德国开发的电动汽车大多采用交流感应电机，主要优点是价格较低、效率高、质量轻，但起动转矩小。日本研制的电动汽车几乎全部使用永磁无刷电机，其主要优点是效率比交流感应电机高，但价格较贵，永磁材料一般耐热 1 800℃以下。开关磁阻电机结构较新，优点是结构简单、可靠、成本较低、起动性能好，没有大的冲击电流，它兼有交流感应电机变频调速和直流电机调速的优点，缺点是噪声较大。
2 电动汽车电机技术探析
2.1 电动机车电机的种类
驱动电动机种类多，用途广泛，功率的覆盖面很大。
1、直流电机驱动系统
20 世纪 90 年代前开发的电动汽车通常采用直流电机驱动系统。直流电机驱动系统具有控制器简单、成本低、易于平滑调速、控制相对成熟等优点，但由于直流电机在运行过程中需要电刷和机械换向器换向，使电机的效率和转速降低。电动汽车的驱动直流电机运行时可以运行在电动机状态，也可以运行在发电机状态。当电动汽车在起动、加速和恒速运行时，电动机处于电动状态，实现电能到机械能的变换，以此驱动车辆前进。当电动汽车减速、制动时，控制直流电机处在发电制动状态，即处于再生制动状态，给蓄电池充电。电动汽车直流电机驱动系统中的直流电机通常采用串励电机和他励电机。
2、永磁电机(PMM)
PMM根据输入电机接线端的电流可分为永磁直流电机(PMDCM)和永磁交流电机亦称永磁无刷电机(PMBLM),PMBLM又包括永磁同步电机(PMSM)、永磁无刷直流电机(PMBLDCM)和永磁混合电机三种。PMM的控制方式与IM基本相同,是当前电动汽车应用的研发热点。
其中永磁电机有包括永磁直流电机(PMDCM)、永磁同步电机(PMSM)、永磁无刷直流电机(PMBLDCM)、永磁混合电机(PMHM)。
1)永磁直流电机(PMDCM)
若励磁线圈和磁极用永磁体代替,传统的绕线式直流电机就变成了PMDCM。PMDCM功率密度和效率较高,电枢反应减少,换向器得以改善。这些优点促进了它在电动车上的应用。但因其换向器会产生转矩波动,同时其电刷会带来摩擦和射频干扰(RFI),并且它们都需要定期维护,因而PM-DCM的应用不再有吸引力。不过由于这类电机控制简单,在小功率的电动车如电动自行车和电动三轮车中仍有所应用。
2)永磁同步电机(PMSM)
如果永磁体代替励磁绕组,传统的同步电机就变成了永磁同步电机。PMSM的定子与传统的同步电机相同,转子采用径向永久磁铁作成磁极。其转子与旋转磁场同步旋转,旋转磁场的转速取决于电源频率。正弦波定子电流和正弦反电动势相互作用产生转矩。PMSM产生的是理想的恒转矩或称平稳转矩。根据永磁体在转子上安装的位置不同,PMSM可分为表面式(SPM)和内置式(IPM)。PMSM可采用圆柱形径向磁场结构或盘式轴向磁场结构,由于其功率密度和效率高、体积小、惯性低、响应快以及调速范围宽等优点,使其成为电动车驱动电机中强有力的竞争者,发展前景最为广阔,已在国内外多种电动汽车中获得应用。美国和日本在PMSM的研发方面居领先地位。正在开发的新型PMSM有:带辅助磁极的PMSM,爪形结构的PMSM和混合励磁型PMSM等。
3)永磁无刷直流电机(PMBLDCM)
若交换PMDLCM的定子和转子,就成了PMBDC。PMBLDCM的转子采用径向永久磁铁做磁极,磁铁被插入转子内,或以瓦形固定在转子表面上,所以其转子磁路是各向均匀的。转子上无电刷和换向器,不再用励磁绕组、集电环和电刷等来为转子输入励磁电流。其定子绕组多做成三相对称星形接法,同IM十分相似。PMBLDCM的综合效率和功率密度高、体积小、重量轻、结构简单牢固、免维修或少维修、运转费用低、出力大。如果能很好地解决其控制和驱动问题,PMBLDCM将在电动汽车中有十分广阔的应用前景。
4)永磁混合电机(PMHM)
在PMDCM中加入附加励磁绕组,使其既有永磁体又有励磁绕组,就成了一种新型的PMDCM即永磁混合电机。励磁绕组固定在定子上,永磁体通常嵌入转子中。由于在转子中嵌入了附加励磁绕组,使转速范围加宽,因此控制这种电机的关键就是控制励磁电流。在高速恒功率区运行时,对永磁体产生的气隙磁场进行的是弱控制。PMHM一般采用串联和并联结构。因永磁体磁导率低,串联结构通常要求感应电动势比较高,所以没有并联结构受人们的青睐。PMHM的优点有:漏磁最小、结构紧凑、气隙磁通密度和功率密度高,转矩-转速特性能满足电动车的特殊要求,恒功率运行的速度范围显着提高,适当调节电源电压和励磁电流,可以提高电动车的驱动性能。此类电机的主要缺点是结构相对复杂。最新的研究方向是开发用于电动车的PMHM。
3、开关磁阻电机(SRM)
SRM是一种新型的调速电机。其定子和转子由硅钢片叠片组成,采用“凸极”结构。转子上没有绕组、滑环和永久磁体,只在定子上安装有简单的集中励磁绕组。励磁绕组的端部较短,没有相间跨接线,磁通量集中于磁极区,通过定子电流来励磁。各相磁路的磁阻是随转子位置不同而变化。转子的运转依靠磁引力来运行,转速可达15000r/min。根据SRM的转子和定子的不同极数,有多种组合方式,最常见的是三相6/4结构和四相8/6结构。
表 1 给出了直流电机、永磁电机、交流电机、开关磁阻电机的性能比较。
2.2 国内外电动汽车电机技术的对比
近年来美、欧开发的电动客车多采用交流异步电机，国外典型产品技术参数请见表2。为了降低车重，电机壳体大多采用铸铝材料，电机恒功率范围较宽，最高转速可达基速的2～2.5倍。日本近年来问世的电动汽车大多采用永磁同步电机。产品功率等级覆盖3～123kW，电机恒功率范围很宽，最高转速可达基速的5倍。
在国内，有学者通过SVPWM 过调制策略提高了电机在弱磁运行区域的定子电压、输出转矩和功率消除过调制引起的逆变器输出电压控制规律非线性的影响。另外对基于转子磁场定向的电动汽车无速度传感器矢量控制系统进行了研究，强调了电动汽车对电机控制系统的一些特殊要求及磁链估计模型的重要性。还有通过异步电动机矢量控制和模糊 PID 控制器地基础上建立了电动汽车用异步电动机模糊矢量控制系统的仿真模型，基于电流偏差的解耦控制方法，有效提高了解耦控制的参数鲁棒性，保证了电流调节器在宽调速的性能。另外以永磁同步电机为研究对象，通过模糊控制实时性好和预测控制的优点的结合，构造了模糊预测协调控制器，提高了控制系统的性能，并且一种基于模糊规则进行切换的控制规则，可以很好的解决了两种控制在切换时发生的扰动的问题。另一种是鲁棒性控制方法。在电流环，基于内模控制，设计了电流解耦控制器，改善了电流环性能，并且控制只有一个可调参数，简化了设计。在速度环采用鲁棒性控制方法，在所有的鲁棒控制方案中，这种基于直接扰动消除的方法是一种简单而且实用的方法。国内通过这些年的发展，已经解决了一些电动汽车驱动电机上问题。
2.3 电动汽车用电机驱动系统与普通工业用电机驱动系统差别
(l)车用电机驱动系统高功率密度的意义不仅在于能够满足整车的紧凑空间约束外,更重要的是,它是降低系统成本的最重要途径。因此,车用电机设计饱和程度较高,导致了电机控制中必须处理参数非线性问题;车用电机控制器追求提升IGBT的利用率(双面冷却)、组件级集成与高效热管理等;
(2)在效率方面,电动汽车车用电机驱动系统工作区域宽,与之对应全工作区域内的效率优化设计。在动力性能方面,电动汽车低速大转矩需求要求电机设计与控制紧密结合,根据电机的参数特性实现最大转矩电流比控制;在高速恒功率区,由于电机反电势接近供电电压,电压源车载型逆变器的控制裕度很小,弱磁控制中d、q轴电流正确跟踪以宽弱磁比(即宽恒功率区)是关键技术;
(3)车用电机驱动系统另外一个重到寺点是使用环境恶劣:环境温度从-如℃到+l25℃,最大振动甚至大于l馆,环境适应性要求加大了车用电机驱动系统高功率密度实现难度。面对电动汽车应用提出的上述要求,电动汽车用电机驱动系统的技术发展趋势可以概括为:永磁高效、电力电子集成和机电集成。
2.4 电动汽车用电机设计与制造技术
在车用电机方面,包括直流电机、交流异步电机在内的多种电机形式都在电动汽车的发展历史中得到了应用。由于永磁同步电机具有功率密度高、全工作区域高效和动态性能好等优点,从上世纪90年代以来就是电动汽车用电机的首选。相关科研工作主要围绕提高功率密度、电机效率和满足驱动性能开展了基于设计平面理论的电动汽车用永磁电机系统化设计，等研究工作。近年来由于永磁材料价格的大幅上升,使得高效交流异步电机和开关磁阻电机等被研究人员重拾话题。
电动汽车用电机驱动系统在制造工艺上与工业应用电机也有所不同。工业应用电机驱动系统通常采用交流异步电机, 汽车采用永磁电机。电机主要可以分为机壳、定子、转子和转轴几大组件。相当于车用电机功率等级的工业用交流异步电机采用风冷或自然冷却,机壳常采用铝型材加工。车用电机驱动系统采用液体冷却,机壳需要经过铸造、机加工和焊接〔艺,能经受高压力、剧烈环境温度变化和振动的铝焊接工业是车用电机机壳制造的难点。在定子制造方面,车用永磁电机的定子部分采用了分段拼接式结构以提升生产效率。该定子结构采用自动绕线机实现定子绕组嵌线,提升了效率和成品率。此外,车用永磁电机采用的硅钢片也较工业电机更薄、损耗更小,对铁心叠装工艺提出了新要求。在转子制造方面,车用永磁电机转子镶嵌高性能铰铁硼磁钢,为提高生产率需要采用充磁机进行整体充磁,整体充磁技术是电动汽车用永磁电机的关键技术之一。总之,车用永磁电机在原材料、工艺和生产设备等方面与工业电机存在多处不同,在图1中将不同之处用白边框表示。
2.5 目前电动汽车电机技术存在的问题
目前，电动气汽车用电机驱动系统还存在很多问题，需要整个行业共同去解决，主要问题如下：
1）世界范围内，现有车用电机驱动系统无法支撑电动汽车的大规模应用，IGBT器件和电机材料利用率有待提高。
2）国内车用电机驱动系统的可靠性和耐久性较低，而且缺乏可靠性和耐久性评价理论依据，无法通过设计和有限实验获知电动汽车电机驱动系统的寿命。电机驱动系统是典型的串联可靠性模型，现有国际制定的可靠性测试工控仍参照发动机考核，缺乏可靠性和耐久性评价理论依据。
3）缺乏车用电机驱动系统MHz级高平准确模型及验证手段，整车EMC问题难以解决，是电动汽车推广应用的另一重要技术障碍。基于理想拓扑和理想开关器件的车用电驱系统模型不能分析验证整车的EMC/EMI问题，必须建立反应有源器件功率开关过程、无源器件（母排、电容及电阻等）自身和互联杂散参数、驱动电机定转子、轴承耦合的高频等效电路模型，结合控制算法，构建全时域系统级车用电驱动系统EMC模型，才能精确分析预测EMC问题。
4）缺乏与提升材料利用率、建立可靠性和电池兼容模型等有关的一些基本模型，是车用电机驱动系统技术突破的理论障碍。例如电机高功率密度化后，磁场饱和和波形畸变严重，铁心材料的铁损耗与基于正弦、脉振和线性假设的理想模型预测值相差甚远，需要建立新型的铁损耗模型。
总之，电动汽车的产业化推进，需要电机技术的进一步突破，需要综合利用过渡技术（曾程式、插电式混合等），需要充电设施不断完善。
3 电动汽车电机技术的发展趋势和展望
3.1 我国车用驱动电机系统有 3 个技术发展方向：永磁化、数字化和集成化。
永磁化是指永磁电机具有功率密度和转矩密度高、效率高、便于维护的优点。采用矢量控制的驱动控制系统，可使永磁电动机具有宽广的调速范围。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。用软件最大程度上地代替硬件，除完成要求的控制功能外，还可以具有保护、故障监控、自诊断等其他功能。电动汽车应用一个很大的特征是电机系统的集成化。
主要体现在 2 个方面的集成化：(1) 电机方面。电机与发动机总成、电机与变速箱总成。电机驱动技术向着集成化的方向发展有利于减小整个系统的质量和体积，并可以有效的降低系统的制造成本。(2) 控制器方面。电力电子总成(功率器件、驱动、控制、传感器、电源等 )。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质量，国外的大陆公司、博世等公司已有小批量生产能力。国内厂商刚起步，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，达到较高的可靠性。在技术发展的同时，电机系统也在向产业化、多品种、小批量规模化生产模式靠拢，在目前阶段需要特别解决多品种、小批量柔性生产的工艺和工程化问题。
3.2 行业产品发展趋势
根据行业基本情况,汽车电机总的发展方向是,产品向永磁化、无刷化、智能化、高性能化、组合化、机电一体化方向发展;生产向专业化、大批量、高效率发展;测试技术向高效、自动化发展。为了满足日益广阔的市场需求,也重视生产低价格的品种。
3.3 设计技术方向
随着电子技术的进步,计算机的广泛应用,应着重和大力开展汽车电机优化设计方法的研究,以提高产品的技术性能和经济指标,克服仅靠设计人员的经验及设计经验数据来设计产品的局面。另外,应推进产品可靠性研究工作,开展可靠性试验方法、失效模式和可靠性评估研究,针对重点产品开展可靠性设计。
3.4 制造技术方面
鉴于汽车电机与国外的主要差距是产品制造技术,要根据行业制造技术现状及引进技术的消化和吸收,重点解决规模生产的制造技术,加速企业技术改造,实现装备现代化,提高产品质量、寿命和可靠性,使产品尽快达到国外产品水平,同时要建立强有力的质保体系。
3.5 采用新技术,发展新产品
随着电子技术的飞速发展和进步,电子计算机的广泛应用,新材料和新技术的不断涌现,应用市场的拓宽,电动汽车电机得到了迅速发展。面对竞争日益激烈的形势,国内电动汽车电机行业正处在调整转折的时期。
3.6 积极采用先进产品标准
推动机械工业强制性标准的实施,引导企业采用推荐性标准,积极采用国外先进标准,向国际标准靠拢,以利于出口和创汇,提高市场竞争能力。
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