金靈 宋亮 耿沖 王琳琳
(一汽豐田技術(shù)開發(fā)有限公司)
電動(dòng)機(jī)是純電動(dòng)轎車唯一的動(dòng)力元件,它與能量源電池包之間的能量流動(dòng)是通過逆變器進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換調(diào)節(jié)的。純電動(dòng)轎車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與整車運(yùn)行性能的好壞有很大關(guān)系。電機(jī)自身的性能將直接影響電動(dòng)汽車動(dòng)力性參數(shù),如最高車速、加速性能及爬坡性能等[1],所以開發(fā)純電動(dòng)轎車新產(chǎn)品之前初步確定電機(jī)類型及其參數(shù)是至關(guān)重要的。
電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是純電動(dòng)轎車中的關(guān)鍵系統(tǒng),純電動(dòng)轎車的運(yùn)行性能主要取決于電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的類型和性能。純電動(dòng)轎車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)一般由整車控制器、電機(jī)、逆變器、DC-DC、減速器以及驅(qū)動(dòng)輪構(gòu)成[2]。典型的純電動(dòng)轎車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),如圖1所示。
純電動(dòng)轎車對驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)性能要求如下:
1)低速輸出大轉(zhuǎn)矩,以適應(yīng)車輛的起動(dòng)、加速、負(fù)荷爬坡以及頻繁起或停等工況,即:低速時(shí)恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行[3];
2)高速輸出恒定功率,有較大的調(diào)速范圍,以適應(yīng)最高車速和超車等要求,即:高速時(shí)恒功率運(yùn)行。
3)減速時(shí),電機(jī)實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng),將能量回收并反饋回電池,使得整車具有最佳的能量利用率;
4)電動(dòng)機(jī)可靠性好,能在較惡劣的環(huán)境下長期工作,結(jié)構(gòu)簡單適應(yīng)大批量的生產(chǎn),運(yùn)行時(shí)噪聲低,使用維修方便,成本低,體積小。
5)結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、質(zhì)量輕、良好的環(huán)境適應(yīng)性和高可靠性。
目前市場上純電動(dòng)轎車使用的驅(qū)動(dòng)電機(jī)主要有4種型式,分別是直流電機(jī)(DCMotor)、交流異步電機(jī)(感應(yīng)電機(jī),ACIM)、永磁電機(jī)(包含永磁同步電機(jī)和無刷直流電機(jī),BDCM)、開關(guān)磁阻電機(jī)(SRD)。對4種型式電機(jī)的各種性能比較分析,如表1所示[1]。
表1 4種型式電機(jī)的各種性能比較分析
結(jié)合純電動(dòng)轎車對驅(qū)動(dòng)電機(jī)性能的需求,驅(qū)動(dòng)電機(jī)應(yīng)具有較寬的調(diào)速范圍、較高的轉(zhuǎn)速、足夠大的啟動(dòng)扭矩、高電壓、體積小、質(zhì)量輕、效率高、可靠性高以及動(dòng)態(tài)制動(dòng)能量回饋的性能。通過表1分析可知:永磁同步電機(jī)具有比功率高、峰值效率高、體積小、質(zhì)量輕、維護(hù)簡單等特點(diǎn)和開關(guān)磁阻電機(jī)具有效率高、結(jié)構(gòu)和控制簡單、可靠性好、啟動(dòng)扭矩大、成本低等特點(diǎn)均符合純電動(dòng)轎車用電機(jī)的需求。
結(jié)合汽車?yán)碚撝R分析,電機(jī)需求功率一定時(shí),電機(jī)質(zhì)量的增加會增大整車質(zhì)量,整車質(zhì)量的增加將會影響電動(dòng)汽車的動(dòng)力性和100 km能耗。現(xiàn)實(shí)生活中,消費(fèi)者最注重續(xù)駛里程和充電時(shí)間。而續(xù)駛里程受限于車輛的最高車速、整備質(zhì)量和電池容量,充電時(shí)間受限于電池容量和充電技術(shù)。當(dāng)電池容量一定時(shí),想得到越大的續(xù)駛里程,整車的整備質(zhì)量當(dāng)然越小越好。因此,在驅(qū)動(dòng)電機(jī)選型時(shí),應(yīng)優(yōu)先選擇永磁電機(jī)和開關(guān)磁阻電機(jī)。
電機(jī)的驅(qū)動(dòng)及其控制技術(shù)是電動(dòng)汽車的核心技術(shù),當(dāng)前在純電動(dòng)轎車的設(shè)計(jì)研發(fā)過程中主要使用的電機(jī)有4種,包括直流電機(jī)、感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、永磁同步電機(jī)和開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)。在實(shí)際的使用過程中,不同用途車型對驅(qū)動(dòng)電機(jī)的要求有著很大的區(qū)別。針對純電動(dòng)轎車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)許多發(fā)達(dá)國家很早就進(jìn)行了研究,不同的國家研究方向也不大相同。日本主要是針對電動(dòng)汽車用的永磁同步電機(jī)的研究,40多年前就開始了。最早是1996年運(yùn)用在豐田RAV4電動(dòng)車上。最新的日產(chǎn)電動(dòng)轎車啟辰晨風(fēng)也是使用的永磁同步電機(jī)。英國將研究重點(diǎn)放在永磁無刷直流電機(jī)上,德國研究重點(diǎn)主要是開關(guān)磁阻電機(jī),法國著重研發(fā)的是三相永磁同步電機(jī),美國則是感應(yīng)電機(jī)[4]。綜合來說,純電動(dòng)轎車早期的驅(qū)動(dòng)電機(jī)多采用直流電機(jī),直流電機(jī)具有優(yōu)良的電磁轉(zhuǎn)矩控制特性、調(diào)速比較方便、易于控制,控制裝置簡單、成本較低。但其效率較低、電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,不利于維修[5]。接著是調(diào)速范圍寬、成本較低、可靠性好、體積較小的交流異步電機(jī),到現(xiàn)階段驅(qū)動(dòng)電機(jī)多采用永磁同步電動(dòng)機(jī)。
經(jīng)過前期“九五”、“十五”、“十一五”對電動(dòng)汽車用電機(jī)系統(tǒng)的集中研發(fā)和應(yīng)用,我國已經(jīng)具有滿足各類電動(dòng)汽車需求的驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)的產(chǎn)品,在電動(dòng)汽車關(guān)鍵零部件方面,我國具有一定的生產(chǎn)設(shè)計(jì)能力,但也存在以下問題。
1)技術(shù)上。我國雖然擁有了一大批電機(jī)系統(tǒng)的相關(guān)知識產(chǎn)權(quán),具備了電動(dòng)汽車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)的小批量生產(chǎn)能力,但與發(fā)達(dá)國家相比,在產(chǎn)品集成度、可靠性和系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)方面,仍存在較大的差距。主要表現(xiàn)在:由于整車開發(fā)的經(jīng)驗(yàn)積累有限,導(dǎo)致對電機(jī)和控制器的可靠性與使用壽命考核辦法不明確;控制器、DC/DC的體積、質(zhì)量普遍偏大;模塊化設(shè)計(jì)不足,插接件標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一,需要提高工程化程度;關(guān)鍵電力電子元器件需要進(jìn)口,成本占到控制器近一半左右。
2)資金方面。由于整車開發(fā)的周期長,工作量大,各種研發(fā)認(rèn)證的相關(guān)費(fèi)用投入非常多,產(chǎn)業(yè)化擴(kuò)大投資規(guī)模時(shí),固定資產(chǎn)投入較大,汽車零部件供應(yīng)鏈的回款周期較長,一般需要6~9個(gè)月的賬期,流動(dòng)資金需求較大,資金周轉(zhuǎn)難度較大。因此新產(chǎn)品研制及產(chǎn)業(yè)化費(fèi)用高,投入回報(bào)周期長。同時(shí)由于該領(lǐng)域是屬于邊緣和交叉學(xué)科,需要有較高的理論知識、較強(qiáng)的實(shí)踐能力和經(jīng)驗(yàn),人才培養(yǎng)的周期也較長。
3)標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)。驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)尚不完善。作為一個(gè)新興行業(yè),產(chǎn)品的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)尚未得到有效檢驗(yàn),同時(shí)也有待進(jìn)一步完善,現(xiàn)有的電機(jī)和控制器標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)相對滯后。
通過對近2年上海、北京、廣州車展展示的31輛電動(dòng)轎車進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析得出:除了帝豪EC-7、歐朗、朗世3種電動(dòng)轎車使用的交流異步電機(jī),其他28種電動(dòng)汽車使用的都是永磁電機(jī),占電動(dòng)汽車展車總數(shù)的90%,如圖2所示。其中,永磁同步電機(jī)是目前純電動(dòng)轎車用電機(jī)的主流形式,大約占87%。
通過對近幾年車展上展示的純電動(dòng)轎車比較分析可知:永磁同步電機(jī)具有比功率高、峰值效率高、可靠性好及外形尺寸小等優(yōu)點(diǎn),被大多數(shù)汽車企業(yè)選用作為電動(dòng)汽車動(dòng)力源,交流異步電機(jī)具有比功率適中,調(diào)速范圍大,結(jié)構(gòu)可靠,成本低,結(jié)構(gòu)簡單及技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn),被少數(shù)汽車企業(yè)選用作為電動(dòng)汽車動(dòng)力源。當(dāng)然也有個(gè)別企業(yè)選用永磁直流無刷電機(jī)。
純電動(dòng)轎車在選擇電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)時(shí),需要考慮的關(guān)鍵問題是成本、可靠性、效率、維護(hù)、耐用性、質(zhì)量、尺寸以及噪聲?,F(xiàn)對純電動(dòng)轎車常用的4種電機(jī)優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析比較,如表2所示。
表2 4種電機(jī)優(yōu)缺點(diǎn)分析
直流電機(jī)具有優(yōu)良的電磁轉(zhuǎn)矩控制特性、調(diào)速比較方便、易于控制,控制裝置簡單、成本較低。但其效率較低,電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,不利于維修。
感應(yīng)電動(dòng)機(jī)采用旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子繞組相互作用產(chǎn)生交互電磁轉(zhuǎn)矩,帶動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn),從而實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。感應(yīng)電動(dòng)機(jī)效率高(最高效率達(dá)到95%)、可靠性高、過載能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)堅(jiān)固性好、便于維修,價(jià)格相對較便宜,感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的控制器采用了矢量控制方法控制的變頻器,使感應(yīng)電動(dòng)機(jī)具有更好的可控性和寬廣的調(diào)速范圍。但感應(yīng)電機(jī)的控制系統(tǒng)很復(fù)雜,負(fù)荷效率低。
永磁電動(dòng)機(jī)由電樞鐵芯和電樞繞組組成定子,轉(zhuǎn)子由永磁體、轉(zhuǎn)子鐵芯和轉(zhuǎn)軸構(gòu)成,永磁體磁動(dòng)勢和電樞磁動(dòng)勢構(gòu)成高磁通密度磁場驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子連續(xù)運(yùn)行,具有功率密度高、質(zhì)量輕、體積小、可靠性較好、效率高(達(dá)到90%以上)、利于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)[5]。采用矢量控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)使永磁電動(dòng)機(jī)具有寬廣的調(diào)速范圍,有利于變速箱的輕量化。其控制系統(tǒng)比較簡單,轉(zhuǎn)矩特性與機(jī)械特性與直流電機(jī)相似。但永磁電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子采用永磁材料制作,要求磁極的磁性材料具有良好的剩余磁通、矯頑磁力、矯頑磁場強(qiáng)度以及良好的耐溫能力?,F(xiàn)有的永磁材料在溫度升高到一定程度時(shí),會出現(xiàn)消磁現(xiàn)象。而且永磁材料價(jià)格較高,因此造成永磁電動(dòng)機(jī)的成本較高。
開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的磁阻隨轉(zhuǎn)子磁極與定子磁極的中心線而變化,從而使定子繞組按一定的順序通電,保持電動(dòng)機(jī)在控制狀態(tài)下連續(xù)運(yùn)行。開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)結(jié)合了感應(yīng)電動(dòng)機(jī)和直流電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn),它的結(jié)構(gòu)比其他任何一種電動(dòng)機(jī)都要簡單,轉(zhuǎn)速可達(dá)到15 000 r/min。其轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩特性好,在較寬的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi),轉(zhuǎn)矩速度可靈活的控制,并具有高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩和低啟動(dòng)功率的機(jī)械特性。轉(zhuǎn)子上沒有勵(lì)磁繞組和永磁體,結(jié)構(gòu)簡單堅(jiān)固、可靠性好、質(zhì)量輕、便于維護(hù)及成本較低。開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)包括微處理器、電流和位置檢測器等電子器件,控制系統(tǒng)較復(fù)雜,調(diào)節(jié)性能和控制精度要求高。但工作時(shí)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大,噪聲也較大,體積也相對較大[6]。
根據(jù)科技部電動(dòng)汽車“十二五”專項(xiàng)規(guī)劃對新能源汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)的性能要求:電機(jī)功率密度≥2.7kW/kg,電機(jī)扭矩密度≥55N·m/L,控制器質(zhì)量密度>6.0kVA/kg,控制器體積密度>8.0 kVA/L、系統(tǒng)最高效率>94%,系統(tǒng)高效區(qū)(效率>80區(qū)域)>75%,壽命30萬km。系統(tǒng)成本:乘用車200元/kW、商用車300元/kW[7]。另一方面受電池技術(shù)的制約,電機(jī)的啟動(dòng)性能、加速性能、低速時(shí)的效率、制動(dòng)及滑行時(shí)的能量再生能力、電機(jī)的過載能力、電機(jī)的能量密度及電機(jī)可靠性是衡量電動(dòng)車輛驅(qū)動(dòng)電機(jī)好壞的重要指標(biāo)?;谝陨显?,未來驅(qū)動(dòng)電機(jī)的發(fā)展趨勢如下:
1)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率密度不斷提高。驅(qū)動(dòng)電機(jī)作為動(dòng)力輸出源,其自身的性能直接影響到了電動(dòng)汽車的整體性能。除了需要滿足不同工況不同車型的需求,還要受車內(nèi)空間的限制。這就需要電動(dòng)轎車用電機(jī)向高性能和小尺寸發(fā)展。不斷提高電機(jī)本身的功率密度,用相對小巧的電機(jī)發(fā)揮出大的功率成為驅(qū)動(dòng)電機(jī)未來的發(fā)展趨勢。永磁電機(jī)具有高轉(zhuǎn)矩密度、高功率密度、高效率及高可靠性等優(yōu)點(diǎn)。我國具有世界最為豐富的稀土資源,因此高效節(jié)能、高性能、輕型化永磁電機(jī)是我國車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)的發(fā)展方向。
2)驅(qū)動(dòng)電機(jī)高速化,回饋制動(dòng)范圍寬廣高效化。通過提高電機(jī)的工作轉(zhuǎn)速,減小電機(jī)的體積和質(zhì)量,進(jìn)而拓寬回饋制動(dòng)的范圍,采用適當(dāng)?shù)淖兯傧到y(tǒng)及控制策略,可以使回饋制動(dòng)的允許范圍拓寬而適應(yīng)更多工況,使整車節(jié)能更加有效,延長行車?yán)锍獭?/p>
3)驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)集成化和一體化。未來為了進(jìn)一步減小驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)質(zhì)量和體積,驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)的集成化程度將會不斷提高。電機(jī)、電機(jī)控制器、變速箱、減速器、DC-DC的集成度將會越來越高,從結(jié)構(gòu)集成到控制集成化和系統(tǒng)集成化,電機(jī)和變速箱的一體化將會越來越明顯。
4)驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制系統(tǒng)數(shù)字化。電動(dòng)轎車用電控制系統(tǒng)集成度越來越高,電機(jī)控制器、DC-DC、變速箱控制器、整車控制器進(jìn)行不同方式的集成。高速、高性能的微處理器使得電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)入全新的數(shù)字化時(shí)代。面向用戶的可視化編程,也可以通過代碼轉(zhuǎn)化和下載直接進(jìn)入微處理,不斷提高編程效率和可調(diào)試性。
5)開關(guān)磁阻電機(jī)市場化。未來為滿足消費(fèi)者對純電動(dòng)轎車的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性需求,需要考慮到純電動(dòng)轎車的成本、效率、續(xù)駛里程、百公里能耗、最高速度等問題,在解決開關(guān)磁阻電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大的問題后,擁有結(jié)構(gòu)和控制簡單、效率高、轉(zhuǎn)速范圍寬、成本低、質(zhì)量輕等特點(diǎn)的開關(guān)磁阻電機(jī)將越來越會被汽車企業(yè)重視,并運(yùn)用在電動(dòng)汽車上。
近年來,電動(dòng)汽車越來越被政府和各大汽車企業(yè)重視。國家不僅設(shè)立專項(xiàng)資金進(jìn)行電動(dòng)汽車研究,而且出臺各種扶持政策,鼓勵(lì)消費(fèi)者購買。各大汽車企業(yè)也加大力度開發(fā)新能源汽車,作為純電動(dòng)轎車核心部件的驅(qū)動(dòng)電機(jī)更是研究重點(diǎn)。研發(fā)具有卓越的綜合性能的驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)勢在必行。雖然目前的驅(qū)動(dòng)電機(jī)在實(shí)際應(yīng)用中還存在一些問題,但市場上也有一些相當(dāng)成功的產(chǎn)品,相信在不久的將來,這些存在的問題也將不斷得以解決。