高效数字集成 车用电机驱动系统趋势

　　近年来我国汽车工业发展迅猛，2009年国产汽车产销突破1300万辆，标志着我国成为世界第一汽车生产和消费国。值得重视的是，中国当前汽车保有量在8000万辆左右，预计2020年我国的汽车保有量将超过2亿，2030年有可能接近发达国家的水平，达到4.5亿辆。因此，燃油的市场需求与供应存在巨大缺口，在某种程度上说，中国汽车工业的可持续发展有赖于新能源汽车尤其是电动汽车的发展。
　　
　　电动汽车的发展有赖于核心技术的发展，亦即电池、电机驱动和整车电控的发展。在电动汽车的分类及其发展状况的基础上，应重点关注电动汽车对电机驱动技术的需求，高效化、数字化和集成化成为车用电机驱动系统的技术发展趋势。
　　
　　任何电动车都需要电机
　　
　　电动汽车包括纯电动汽车、混合动力电动汽车和燃料电池电动汽车三类，其动力系统结构见图1。
　　
　　纯电动汽车由蓄电池提供电能，车载电机驱动系统的变流器将直流电通过PWM调制变为频率和幅值可控的交流电提供给电机，电机产生的电磁转矩通过变速箱驱动电动汽车运动。纯电动汽车的技术瓶颈在于蓄电池。当前最有希望的纯电动汽车用能量型蓄电池是磷酸铁锂电池，磷酸铁锂电池安全性好，能量密度达到80～120wh／kg，循环寿命有望达到2000次，预计到2012年每瓦时的成本可以下降到1.0～1.5元，即一台续驶里程为200公里的电动汽车电池成本可以控制在3万元左右。到目前为止，日产推出了Leaf纯电动汽车、BMW推出了MINIE，我国政府和汽车厂商也十分重视纯电动汽车的发展，包括一汽、奇瑞、北汽等在内的我国主要汽车制造厂在2010年北京车展上都纷纷推出了纯电动汽车原型车。
　　
　　混合动力电动汽车有两种动力来源：内燃机和电机，即混合动力汽车的动力系统包括内燃机和电机，结构比较复杂。利用电机宽范围高效和可四象限运行的特点，当阻力大时利用电机提供助力，阻力小时利用电机发电，从而使内燃机一直工作在最优效率区内，提高了整个系统的能量利用率。因此，混合动力汽车的内燃机不仅排量小于普通内燃机汽车，且能耗降低5％～50％。以丰田PRUIS为例，PRUIS装有一台1.5升的发动机，但其动力性能相当甚至高于2L普通内燃机汽车，从油井到车轮的效率从16～18％提高到32％。到目前为止，丰田混合动力累计销售已超过200万台，标志着混合动力电动汽车进入了大规模市场化。
　　
　　燃料电池电动汽车采用质子交换膜燃料电池系统发电，其燃料是车载的氢燃料和空气中的氧气，氢氧化合后产生电能和水，所以燃料电池电动汽车是一种零排放电动汽车。在燃料电池电动汽车中，燃料电池发出的电具有电压变化范围大、动态响应较差的特点，通常需要经过一级直流—直流变换器（DC–DC）升压、稳压，与电池一起为电机驱动系统供电。
　　
　　自上世纪60、70年代以后，美国等西方各国将燃料电池的军事和航天应用转向民用发电和作为汽车、潜艇等的动力源，世界各著名汽车公司相继投入大量的人力和物力开展燃料电池电动汽车的开发研究。上述努力在2002年～2003年左右达到一个高峰。2002年6月，在加拿大召开了第14届世界氢能源大会，提出了以燃料电池为主导产品的氢能源社会的概念。
　　
　　由此，发展氢社会成为人类社会能源革命的重大焦点，《时代周刊》将燃料电池列为21世纪10大高科技之首。布什总统在2002年宣布出台“Freedoncar”计划，确定将使用燃料电池成为社会上的主要能源，首先在汽车产品上应用。美国通用公司CEO格瓦纳说：通用公司的目标是在2010年生产电动汽车100万辆，最主要的是燃料电池混合动力的电动汽车。福特公司CEO比尔·福特说：在25年内，福特公司将在75％的轻型汽车上采用混合动力电动汽车。但是，到2010年为止，燃料电池电动汽车的推广依然存在着电池成本高、储氢技术和加氢站基础设施建设等问题，燃料电池电动汽车的大规模市场化日程又一次被推迟。
　　
　　电动汽车推动电机行业发展
　　
　　永磁化成电机驱动技术重要发展方向之一。
　　
　　电动汽车对于电机驱动系统的要求可以归纳为：低速大转矩。该要求来源于爬坡和汽车起动初始加速度的要求；宽恒功率区，电动汽车电机驱动系统要求恒功率区是恒转矩区的3～10倍。该要求来源于汽车高速行驶和高速超车的动力要求；电机驱动系统效率达到80％及以上的区域要大于50％。该要求来源于电动汽车要求全工作范围要求高效；高功率密度，如电机功率密度大于1kW／kg，控制器容量密度3～4kVA／kg及以上。该要求来源于整车空间和高效节能的要求；严酷的运行环境，通常电动汽车电机驱动系统要求工作环境温度为（-40°C到105°C），最高振动加速度大于10g；高可靠性。通常电动汽车电机驱动系统的寿命为20万公里以上；低成本。美国FCVT计划提出要将电机驱动系统的成本降到每千瓦8～12美元。
　　
　　因此，电动汽车对电机驱动系统的要求催生了电动汽车电机驱动技术的发展趋势，即高效永磁化、数字化和集成化。
　　
　　在电动汽车电机驱动技术方面，受到车辆空间限制和使用环境的约束，电动汽车用电机驱动系统不同于普通的电传动系统，它要求更高的性能、体积／重量密度更高、环境温度更高，用于普通电机驱动的电力电子与电机技术已经不能适应其要求。在电动汽车驱动技术的研发方面，车用电机系统的技术发展趋势基本可以归纳为着高效永磁化、数字化和集成化。
　　
　　永磁电机具有效率高、比功率较大、功率因数高、可靠性高和便于维护的优点。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，电机的永磁化成为电机驱动技术的重要发展方向之一。
　　
　　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、低成本的微机专用芯片以及DSP等的问世及商品化，使得全数字的控制系统成为可能。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。全数字化是电动车控制乃至交流传动系统的重要发展方向之一。
　　
　　电机驱动系统的集成化有两个方面：其一是电机与发动机总成或电机与变速箱的集成：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重量和体积，并可以有效的降低系统的制造成本，如本田的ISG系统，丰田的THS系统；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（PowerE1ectronicBuildingB1ock—PEBB），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，达到较高的可靠性。
　　
　　近年来，车用电机驱动系统技术取得了较大进展。进入21世纪以来，美国能源部组织开展了TheFreedomCARandVehicleTechnology（FCVT）计划，FCVT计划旨在发展先进汽车技术以改变美国当前的能源消费结构、促进能源安全。在FCVT项目中有7个子项目，电力电子与电机是其中之一。在美国能源部的组织下，由多个研究机构及汽车厂商及相关公司组成了FreedomCar联盟，共同开展面向汽车应用的先进电力电子技术的研究，已取得显著进展，同时国际汽车巨头、电气厂商也取得了很大成绩，当前国外先进电机驱动系统技术水平现状如表1所示。虽然总体来说电机驱动技术已经取得很大进步，但是产品成本距离大规模市场化距离依然最大。
　　
　　“十五”以来，国家科技部启动了电动汽车重大专项，对于我国电动汽车产业化发展起到了重大作用。下表以电机驱动技术的发展为例，我国在车用电机某些单项指标中已经接近或达到国际先进水平，但是在电力电子集成、热管理以及批量生产工艺方面我们与世界先进水平还是存在相当差距。随着国家电动汽车相关计划的实施，我们有理由相信，我国电机驱动系统技术与国际水平的差距将进一步缩小。
　　
　　电动汽车依据能源或动力来源分为纯电动、混合动力和燃料电池三类，电机驱动系统是其三大核心技术之一。文章回顾了电动汽车的发展历史，对电动汽车电机驱动系统技术要求进行了综述，指出电动汽车电机驱动系统的技术发展趋势为永磁化、数字化和集成化。