电动汽车的电机驱动系统不同于普通的工业应用,如风扇和泵。由于车辆空间和使用环境的限制,要求电机驱动系统具有更高的性能、更高的体积重量比密度、更高的环境温度耐受性(冷却液入口温度> 105℃)、高强度振动和更低的成本。为了满足上述严格甚至苛刻的要求,汽车电机驱动系统技术的发展趋势基本可以概括为永磁化、数字化和集成化。
永磁电机具有高效率、高比功率、高功率因数、高可靠性和易维护等优点。采用矢量控制变频调速系统可以使永磁电机有很宽的调速范围。因此,丰田、本田等国际厂商以及一汽、东风、长安、奇瑞等国内厂商都在其电动车上采用了永磁电机方案,从而推动了汽车电机向永磁化发展。
永磁体的主要材料和部件有钕铁硼磁钢、电工钢和高速轴承。21世纪以来,中国磁性材料行业年增长率超过20%。据初步统计,2004年烧结钕铁硼永磁体达到27510吨(占全球总量的81%),粘结钕铁硼永磁体达到1350吨(占全球总量的35%)。电工钢带作为制造电机铁芯的材料,是应用最广泛、最重要的磁性材料,是电机高效率、高功率密度的保证,其成本约占电机本体成本的20%。据悉,日本住友电气公司生产的0.27mm厚电工钢带已用于混合动力驱动电机。在“863”项目的支持下,中国宝钢集团从2008年开始研发电动汽车驱动电机用电工钢带。预计在不久的将来,国产高效电工钢带将用于我们的车辆驱动电机系统。此外,为了保证电动车在20万公里以上仍能行驶,并能经受严寒和酷暑,车用电机的高速轴承仍需开发。目前国内开发的车辆驱动系统大多采用进口高速轴承。
在电动汽车中,由燃料电池或蓄电池提供的DC电力通过一个或多个逆变器转换成交流电力来驱动永磁电机,用于车辆的电机驱动控制器由逆变器和电机控制电路组成。到目前为止,由于电动汽车的DC电压大多低于600V,逆变器全部采用三相两电平结构和1200V以下的IGBT模块,其中逆变器的核心部件IGBT和电容的成本占电机驱动控制器成本的50%以上。在混合动力汽车的应用中,为了简化冷却系统,降低整车成本,对电机驱动系统提出了冷却液入口温度应高于105℃的要求。这一要求不仅提高了电机的绝缘等级和钕铁硼磁钢的等级,而且市场上广泛使用的150℃结温IGBT也达不到要求。必须使用175℃结温的IGBT,精心设计换热效率高的散热器系统。
变频控制系统的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和驱动与数控系统接口的数字化,还包括测量单元的数字化。随着微电子和计算机技术的发展,高速、高集成度、低成本的专用芯片和数字信号处理器(DSP)等的出现和商业化。,使全数字控制系统成为可能。
要最大限度地用软件代替硬件,除了要求的控制功能外,还应具备保护、故障监测、自诊断等其他功能。
运动系统的集成包括两个方面:1 .机电一体化。一是将车辆电机和发动机集成在一起,形成混合动力发动机总成,如本田的ISA系统;第二,车辆电机与变速箱集成在一起,如丰田混合动力系统THS。总之,汽车电机与汽车发动机或变速箱一体化的发展,有利于减轻整个系统的重量和体积,有效降低系统的制造成本。2.电动车辆驱动控制器的开关器件、电路、控制、传感器、电源和无源器件被集成到标准模块中以形成电力电子组件。这种集成方法可以较好地解决不同工艺电路的组合和高电压隔离问题,集成度高。还能有效减小体积和重量。但仍存在一些技术难题,如分布参数、电磁兼容、传热等。,且成本无法有效降低。
自20世纪90年代以来,我国汽车电机驱动系统的研发得到了政府各方面的重视和支持。通过在电动汽车上的应用,验证了技术,培养了团队。1999年底,中国科学院电工研究所、华中科技大学和哈尔滨工业大学分别开发出全数字矢量控制交流异步电机驱动系统和开关磁阻驱动系统,技术水平达到当时国际先进水平。进入“十五”后,国家和企业的投入进一步加大,汽车电机的发展从技术研究迅速发展到产品开发。上海电气传动有限公司和株洲南车时代电动车有限公司已成为专门从事汽车电机驱动系统研究和生产的工业化公司。上海电气传动股份有限公司还与宝山钢铁厂、宁波云升高科磁业有限公司等关键材料零部件制造商密切合作,形成了有利于提高产品质量、降低成本的产业链。在功率半导体方面,除了国际功率半导体芯片和封装厂商英飞凌、塞米克朗、三菱一如既往地积极开拓中国市场外,嘉兴斯达半导体有限公司、江苏常州宏伟科技有限公司等国内功率半导体厂商也开始投入车辆驱动模块的研发。