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新能源汽车弯道超车?先搞定电机电控吧

  • 2017-02-06 08:49
  • 来源:半导体产业观察
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摘要:在燃油车时代,国产汽车产业由于在发动机和变速箱等技术积累上与国际先进水平有很大的差距,给国产汽车自主化的进度和对世界先进的追赶造成了很大的困扰。

在燃油车时代,国产汽车产业由于在发动机和变速箱等技术积累上与国际先进水平有很大的差距,给国产汽车自主化的进度和对世界先进的追赶造成了很大的困扰。

但进入了最近几年,新能源汽车的兴起,绕过了传统的燃油发动机和变速箱限制,借助电池、电机提供动力来源。比亚迪也借助这股东风推出了E6纯电动汽车,而包括北汽等传统车厂也在快速跟进,蔚蓝等新兴厂商也拔地而起,加上政策的支持,中国的新能源汽车产业迅速发展,有人甚至提出了在新能源汽车方面实现对传统欧美日汽车厂的反超。但事实真的如此吗?最起码从电机电控方面看,中国还需要走的路还很长。

电机电控是新能源汽车的关键

新能源汽车作为传统燃油汽车的替代品,其主要电气系统即为在传统汽车“三小电”(空调、转向、制动) 基础上延伸产生的电动动力总成系统“三大电” ——电池、电机、电控。其中,电机、电控系统作为传统发动机(变速箱)功能的替代, 其性能直接决定了电动汽车的爬坡、加速、最高速度等主要性能指标。

同时,新能源汽车电机、电控系统面临的工况相对复杂:需要能够频繁起停、加减速,低速/爬坡时要求高转矩,高速行驶时要求低转矩,具有大变速范围; 混合动力车还需要处理电机启动、电机发电、制动能量回馈等特殊功能。

此外,电机的能耗直接决定了固定电池容量情况下的续航里程。 因此, 电动汽车驱动系统在负载要求、技术性能和工作环境上有特殊要求: 其一,驱动电机要有更高的能量密度,实现轻量化、低成本, 适应有限的车内空间,同时要具有能量回馈能力,降低整车能耗;第二,驱动电机同时具备高速宽调速和低速大扭矩,以提供高启动速度、爬坡性能和高速加速性能;第三,电控系统要有高控制精度、高动态响应速率,并同时提供高安全性和可靠性。

电机电控系统作为新能源汽车产业链的重要一环,其技术、制造水平直接影响整车的性能和成本。目前,国内在电机、电控领域的自主化程度仍远落后于电池,部分电机电控核心组件如 IGBT 芯片等仍不具备完全自主生产能力,具备系统完整知识产权的整车企业和零部件企业仍是少数。随着国内电机电控系统产业链的逐步完善, 电机电控系统的国产化率逐步提高, 电机电控市场具有的增速有望超过新能源汽车整车市场的增速。

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电池、电机、电控在新能源汽车中的应用

此外, 随着整车车体结构轻量化的推进,电池、 电机、电控系统在新能源汽车整车中的成本占比也逐渐上升。 根据 Argonne 国家实验室统计数据,新能源汽车动力总成( 电机、电控、 变速器) 的成本分别占整车成本的 15.67%(轿车)和 13.69%(小型货车),总成占比仅次于电池和 BMS 系统。 在新能源汽车补贴逐步退坡的政策驱动下,动力总成成本、重量下降的压力将逐步向上传导至电机、电控产品厂商, 具备技术、规模优势的供应商将在成本下降的过程中占据优势。因此,电机电控市场仍然在很大程度上影响新能源汽车市场的走向。

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纯电动轿车成本拆分

永磁同步、交流异步电机成为驱动电机主流技术

电动机在工业中的应用非常广泛,功率覆盖范围宽,种类也很多。 但由于新能源汽车在功率、转矩、体积、质量、散热等方面对驱动电机有更高的要求, 因此, 相比工业电机, 新能源汽车驱动电机必须具备更优良的性能,如:小体积以适应车辆有限的内部空间,工作温度范围宽( -40~1050C),适应不稳定的工作环境,高可靠性以保证车辆和乘员的安全,高功率密度以提供良好的加速性能( 1.0-1.5kW/kg)等,因此驱动电机的种类相对较少,功率覆盖也相对较窄,产品相对集中。

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新能源汽车的驱动电机分类

目前,应用于新能源汽车的驱动电机主要包括直流电机、交流电机和开关磁阻电机三类,其中在目前乘用车、商用车领域应用较为广泛的电机包括直流(无刷) 电机、交流感应(异步)电机、永磁同步电机、开关磁阻电机等。其他特殊类型的驱动电机包括轮毂/轮边电机、混合励磁电机、多相电机、双机械端口能量变换器( Dmp-EVT),目前市场化应用较少,

是否能够大规模推广需要更长时间的车型验证。

(1)交流异步电机,也称为感应电机( Induction Motor),在定子绕组中输入三相交流电,定子绕组中的励磁电流在定子铁芯中产生旋转磁场, 此时转子绕组中有感应电流通过并推动转子作旋转运动。当转子带有机械负载时,转子电流增加,由于电磁感应作用,定子绕组中的励磁电流也增加。 交流异步电机控制器采用脉宽调制( PWM) 方式实现高压直流到三相交流的电源变换,采用变频器实现电机调速,采用矢量控制或直接转矩控制实现转矩控制的快速响应,满足负载变化特性的要求。

交流异步电机的优点在于结构简单,定子转子无直接接触,运行可靠性强,转速高,维护成本低。 不足之处在于能耗高,转子发热快,高速工况下需要额外冷却系统;功率因数低,需要大容量的变频器,造价较高,调速性较差。 目前,交流异步电机主要用于空间要求较低、且速度性能要求不高的电动客车、物流车、商用车等车型中。

(2)永磁电机( Permanent Magnetic Motor) 包括永磁同步电机(正弦波)和永磁无刷直流电机(方波)两大类,其转子均由永磁材料制成, 定子采用三相绕组,输入调制方波产生旋转磁场带动永磁转子转动。永磁同步电机的优点在于其较大的转矩和驱动效率,具有高功率密度和宽调速范围,且没有励磁损耗和散热问题,电机结构简单,体积比同功率的异步电机小 15%以上;其缺点在于高速运行时控制复杂,永磁体退磁问题目前难以解决, 电机

造价较高。目前,永磁同步电机主要应用于体积小,且速度、操控性能要求较高的电动乘用车领域,部分中小型客车亦开始尝试使用永磁电机作为驱动源。 永磁无刷直流电机则一般在小功率电动汽车、低速电动车领域应用较为广泛。

(3)开关磁阻电机( Switched Reluctance Motor)的定子和转子铁芯均由硅钢片叠压而成,利用冲片上的齿槽构成双凸极结构, 定子产生扭曲磁场,利用“磁阻最小原理”驱动转子运动。 开关磁阻电机结构和控制简单、出力大,可靠性高,成本低,起动制动性能好,运行效率高,但电机噪声高,但转矩脉动严重,非线性严重,在电动汽车驱动中有利有弊,目前电动汽车应用较少。

(4)直流电机( DC Motor)通过在定子主磁极上绕制励磁线圈并通以直流电以产生磁场,转子电枢绕组也通以直流电,通电绕组置于磁场中输出电磁转矩拖动负载运行。直流电机控制器一般采用晶闸管脉宽调制方式( PWM),控制性能好,调速平滑度高,控制简单,技术成熟,且成本较低。直流电机的缺点是需要独立的电刷和换向器,导致速度提升受限;电刷易损耗,维护成本较高。直流电机多用于早期的电动汽车驱动系统,目前新研制的车型已经基本不再采用。

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不同类型电机的性能对比

目前, 新能源汽车所使用的电机以交流感应电机和永磁同步电机为主。其中, 日韩车系目前多采用永磁电机,转速区间和效率相对都较高,但是需要使用昂贵的系统永磁材料钕铁硼;欧美车系则多采用交流感应电机,主要原因是对于稀土资源匮乏,以及降低电机成本考虑,其劣势则主要是转速区间小,效率低,需要性能更高的调速器以匹配性能。 特斯拉公司在其本代车型 Model S 和 Model X 上均采用的是自行设计的交流感应电机。

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国外新能源汽车适配电机类型

网友评论

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  • SimonXU
  • SimonXU
  • 2017/2/7 10:20:08
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只有沉下去才有自信叫板国外先进技术!加油吧!

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