車(chē)用電機驅動(dòng)系統發(fā)展趨勢 高效數字集成

　　電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展有賴(lài)于核心技術(shù)的發(fā)展，亦即電池、電機驅動(dòng)和整車(chē)電控的發(fā)展。在電動(dòng)汽車(chē)的分類(lèi)及其發(fā)展狀況的基礎上，應重點(diǎn)關(guān)注電動(dòng)汽車(chē)對電機驅動(dòng)技術(shù)的需求，高效化、數字化和集成化成為車(chē)用電機驅動(dòng)系統的技術(shù)發(fā)展趨勢。

　　任何電動(dòng)車(chē)都需要電機

　　電動(dòng)汽車(chē)包括純電動(dòng)汽車(chē)、混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)和燃料電池電動(dòng)汽車(chē)三類(lèi)。純電動(dòng)汽車(chē)由蓄電池提供電能，車(chē)載電機驅動(dòng)系統的變流器將直流電通過(guò)PWM調制變?yōu)轭l率和幅值可控的交流電提供給電機，電機產(chǎn)生的電磁轉矩通過(guò)變速箱驅動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)運動(dòng)。純電動(dòng)汽車(chē)的技術(shù)瓶頸在于蓄電池。當前最有希望的純電動(dòng)汽車(chē)用能量型蓄電池是磷酸鐵鋰電池，磷酸鐵鋰電池安全性好，能量密度達到80~120wh/kg，循環(huán)壽命有望達到2000次，預計到2012年每瓦時(shí)的成本可以下降到1.0 ~ 1.5元，即一臺續駛里程為200公里的電動(dòng)汽車(chē)電池成本可以控制在3萬(wàn)元左右。到目前為止，日產(chǎn)推出了Leaf純電動(dòng)汽車(chē)、BMW推出了MINI E，我國政府和汽車(chē)廠(chǎng)商也十分重視純電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展，包括一汽、奇瑞、北汽等在內的我國主要汽車(chē)制造廠(chǎng)在2010年北京車(chē)展上都紛紛推出了純電動(dòng)汽車(chē)原型車(chē)。

　　混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)有兩種動(dòng)力來(lái)源：內燃機和電機，即混合動(dòng)力汽車(chē)的動(dòng)力系統包括內燃機和電機，結構比較復雜。利用電機寬范圍高效和可四象限運行的特點(diǎn)，當阻力大時(shí)利用電機提供助力，阻力小時(shí)利用電機發(fā)電，從而使內燃機一直工作在最優(yōu)效率區內，提高了整個(gè)系統的能量利用率。因此，混合動(dòng)力汽車(chē)的內燃機不僅排量小于普通內燃機汽車(chē)，且能耗降低5%~50%。以豐田PRUIS為例，PRUIS裝有一臺1.5升的發(fā)動(dòng)機，但其動(dòng)力性能相當甚至高于2L普通內燃機汽車(chē)，從油井到車(chē)輪的效率從16~18%提高到32%。到目前為止，豐田混合動(dòng)力累計銷(xiāo)售已超過(guò)200萬(wàn)臺，標志著(zhù)混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)入了大規模市場(chǎng)化。

　　燃料電池電動(dòng)汽車(chē)采用質(zhì)子交換膜燃料電池系統發(fā)電，其燃料是車(chē)載的氫燃料和空氣中的氧氣，氫氧化合后產(chǎn)生電能和水，所以燃料電池電動(dòng)汽車(chē)是一種零排放電動(dòng)汽車(chē)。在燃料電池電動(dòng)汽車(chē)中，燃料電池發(fā)出的電具有電壓變化范圍大、動(dòng)態(tài)響應較差的特點(diǎn)，通常需要經(jīng)過(guò)一級直流—直流變換器（DC – DC）升壓、穩壓，與電池一起為電機驅動(dòng)系統供電。

　　自上世紀60、70年代以后，美國等西方各國將燃料電池的軍事和航天應用轉向民用發(fā)電和作為汽車(chē)、潛艇等的動(dòng)力源，世界各著(zhù)名汽車(chē)公司相繼投入大量的人力和物力開(kāi)展燃料電池電動(dòng)汽車(chē)的開(kāi)發(fā)研究。上述努力在2002年~2003年左右達到一個(gè)高峰。2002年6月，在加拿大召開(kāi)了第14屆世界氫能源大會(huì )，提出了以燃料電池為主導產(chǎn)品的氫能源社會(huì )的概念。由此，發(fā)展氫社會(huì )成為人類(lèi)社會(huì )能源革命的重大焦點(diǎn)，《時(shí)代周刊》將燃料電池列為21世紀10大高科技之首。布什總統在2002年宣布出臺"Freedoncar"計劃，確定將使用燃料電池成為社會(huì )上的主要能源，首先在汽車(chē)產(chǎn)品上應用。美國通用公司CEO格瓦納說(shuō)：通用公司的目標是在2010年生產(chǎn)電動(dòng)汽車(chē)100萬(wàn)輛，最主要的是燃料電池混合動(dòng)力的電動(dòng)汽車(chē)。福特公司CEO比爾·福特說(shuō)：在25年內，福特公司將在75%的輕型汽車(chē)上采用混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)。但是，到2010年為止，燃料電池電動(dòng)汽車(chē)的推廣依然存在著(zhù)電池成本高、儲氫技術(shù)和加氫站基礎設施建設等問(wèn)題，燃料電池電動(dòng)汽車(chē)的大規模市場(chǎng)化日程又一次被推遲。

電動(dòng)汽車(chē)推動(dòng)電機行業(yè)發(fā)展

　　永磁化成電機驅動(dòng)技術(shù)重要發(fā)展方向之一。

　　電動(dòng)汽車(chē)對于電機驅動(dòng)系統的要求可以歸納為：低速大轉矩。該要求來(lái)源于爬坡和汽車(chē)起動(dòng)初始加速度的要求；寬恒功率區，電動(dòng)汽車(chē)電機驅動(dòng)系統要求恒功率區是恒轉矩區的3~10倍。該要求來(lái)源于汽車(chē)高速行駛和高速超車(chē)的動(dòng)力要求；電機驅動(dòng)系統效率達到80%及以上的區域要大于50%。該要求來(lái)源于電動(dòng)汽車(chē)要求全工作范圍要求高效；高功率密度，如電機功率密度大于1kW/kg，控制器容量密度3~4kVA/kg及以上。該要求來(lái)源于整車(chē)空間和高效節能的要求；嚴酷的運行環(huán)境，通常電動(dòng)汽車(chē)電機驅動(dòng)系統要求工作環(huán)境溫度為（-40°C到105°C），最高振動(dòng)加速度大于10g；高可靠性。通常電動(dòng)汽車(chē)電機驅動(dòng)系統的壽命為20萬(wàn)公里以上；低成本。美國FCVT計劃提出要將電機驅動(dòng)系統的成本降到每千瓦8~12美元。

　　因此，電動(dòng)汽車(chē)對電機驅動(dòng)系統的要求催生了電動(dòng)汽車(chē)電機驅動(dòng)技術(shù)的發(fā)展趨勢，即高效永磁化、數字化和集成化。

　　在電動(dòng)汽車(chē)電機驅動(dòng)技術(shù)方面，受到車(chē)輛空間限制和使用環(huán)境的約束，電動(dòng)汽車(chē)用電機驅動(dòng)系統不同于普通的電傳動(dòng)系統，它要求更高的性能、體積/重量密度更高、環(huán)境溫度更高，用于普通電機驅動(dòng)的電力電子與電機技術(shù)已經(jīng)不能適應其要求。在電動(dòng)汽車(chē)驅動(dòng)技術(shù)的研發(fā)方面，車(chē)用電機系統的技術(shù)發(fā)展趨勢基本可以歸納為著(zhù)高效永磁化、數字化和集成化。

　　永磁電機具有效率高、比功率較大、功率因數高、可靠性高和便于維護的優(yōu)點(diǎn)。采用矢量控制的變頻調速系統，可使永磁電動(dòng)機具有寬廣的調速范圍。因此，電機的永磁化成為電機驅動(dòng)技術(shù)的重要發(fā)展方向之一。

　　數字化也是未來(lái)電機驅動(dòng)技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。數字化不僅包括驅動(dòng)控制的數字化，驅動(dòng)到數控系統接口的數字化，而且還應該包括測量單元數字化。隨著(zhù)微電子學(xué)及計算機技術(shù)的發(fā)展，高速、高集成度、低成本的微機專(zhuān)用芯片以及DSP等的問(wèn)世及商品化，使得全數字的控制系統成為可能。用軟件最大程度上地代替硬件，除完成要求的控制功能外，還可以具有保護、故障監控、自診斷等其他功能。全數字化是電動(dòng)車(chē)控制乃至交流傳動(dòng)系統的重要發(fā)展方向之一。

　　電機驅動(dòng)系統的集成化有兩個(gè)方面：其一是電機與發(fā)動(dòng)機總成或電機與變速箱的集成：電機驅動(dòng)技術(shù)向著(zhù)集成化的方向發(fā)展有利于減小整個(gè)系統的重量和體積，并可以有效的降低系統的制造成本，如本田的ISG系統，豐田的THS系統；將電動(dòng)汽車(chē)驅動(dòng)控制器的開(kāi)關(guān)器件、電路、控制、傳感器、電源和無(wú)源器件都集成到標準的模塊中構成電力電子組件（Power E1ectronic Building B1ock—PEBB)，這種集成方法可以較好地解決不同工藝的電路之間的組合和高電壓隔離等問(wèn)題，具有較高的集成度，也可以比較有效地減小體積和重量，但目前還存在分布參數、電磁兼容、傳熱等具有較高難度的技術(shù)問(wèn)題，并且尚不能有效地降低成本，達到較高的可靠性。

　　近年來(lái)，車(chē)用電機驅動(dòng)系統技術(shù)取得了較大進(jìn)展。進(jìn)入21世紀以來(lái)，美國能源部組織開(kāi)展了The FreedomCAR and Vehicle Technology (FCVT）計劃，FCVT計劃旨在發(fā)展先進(jìn)汽車(chē)技術(shù)以改變美國當前的能源消費結構、促進(jìn)能源安全。在FCVT項目中有7個(gè)子項目，電力電子與電機是其中之一。在美國能源部的組織下，由多個(gè)研究機構及汽車(chē)廠(chǎng)商及相關(guān)公司組成了FreedomCar聯(lián)盟，共同開(kāi)展面向汽車(chē)應用的先進(jìn)電力電子技術(shù)的研究，已取得顯著(zhù)進(jìn)展，同時(shí)國際汽車(chē)巨頭、電氣廠(chǎng)商也取得了很大成績(jì)，當前國外先進(jìn)電機驅動(dòng)系統技術(shù)水平現狀如表1所示。雖然總體來(lái)說(shuō)電機驅動(dòng)技術(shù)已經(jīng)取得很大進(jìn)步，但是產(chǎn)品成本距離大規模市場(chǎng)化距離依然最大。

　　"十五"以來(lái)，國家科技部啟動(dòng)了電動(dòng)汽車(chē)重大專(zhuān)項，對于我國電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展起到了重大作用。下表以電機驅動(dòng)技術(shù)的發(fā)展為例，我國在車(chē)用電機某些單項指標中已經(jīng)接近或達到國際先進(jìn)水平，但是在電力電子集成、熱管理以及批量生產(chǎn)工藝方面我們與世界先進(jìn)水平還是存在相當差距。隨著(zhù)國家電動(dòng)汽車(chē)相關(guān)計劃的實(shí)施，我們有理由相信，我國電機驅動(dòng)系統技術(shù)與國際水平的差距將進(jìn)一步縮小。

　　電動(dòng)汽車(chē)依據能源或動(dòng)力來(lái)源分為純電動(dòng)、混合動(dòng)力和燃料電池三類(lèi)，電機驅動(dòng)系統是其三大核心技術(shù)之一。文章回顧了電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展歷史，對電動(dòng)汽車(chē)電機驅動(dòng)系統技術(shù)要求進(jìn)行了綜述，指出電動(dòng)汽車(chē)電機驅動(dòng)系統的技術(shù)發(fā)展趨勢為永磁化、數字化和集成化。