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        電動汽車電控系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀及其趨勢

        2019-11-27 06:38:44臧超
        大眾汽車 2019年4期
        關鍵詞:評價

        臧超

        安徽江淮汽車新能源乘用車公司 安徽 合肥 230601

        電池技術、電機驅(qū)動及其控制技術、能量管理技術以及電動汽車整車技術為電動汽車四大關鍵技術。電控系統(tǒng)用于控制電池、電機等組件,其功能包括:電池管理,發(fā)動機、電動機能量管理等。

        1 電控系統(tǒng)組成及其原理

        電控系統(tǒng)由ECU等控制系統(tǒng)、傳感器等感應系統(tǒng)、駕駛員意圖識別等子系統(tǒng)組成。電控系統(tǒng)的材料成本占比不高,但需要經(jīng)過多次試驗才能掌握關鍵算法,尤其是混合動力汽車涉及油、電混合的控制策略,技術壁壘較高。

        電機控制器作為新能源汽車中連接電池與電機的電能轉(zhuǎn)換單元,是電機驅(qū)動及控制系統(tǒng)的核心,主要包含IGBT功率半導體模塊及其關聯(lián)電路等硬件部分以及電機控制算法及邏輯保護等軟件部分。

        電機驅(qū)動控制系統(tǒng)(包括驅(qū)動電機和電機控制器)是新能源汽車車輛行使中的主要執(zhí)行結(jié)構(gòu),控制和驅(qū)動特性決定了汽車行駛的主要性能指標。

        一般來講,電機控制器的主要由如下幾部分組成:

        (1)電子控制模塊(ElectronicController)包括硬件電路和相應的控制軟件。硬件電路主要包括微處理器及其最小系統(tǒng)、對電機電流,電壓,轉(zhuǎn)速,溫度等狀態(tài)的監(jiān)測電路、各種硬件保護電路,以及與整車控制器、電池管理系統(tǒng)等外部控制單元數(shù)據(jù)交互的通信電路??刂栖浖鶕?jù)不同類型電機的特點實現(xiàn)相應的控制算法。

        (2)驅(qū)動器(Driver)將微控制器對電機的控制信號轉(zhuǎn)換為驅(qū)動功率變換器的驅(qū)動信號,并實現(xiàn)功率信號和控制信號的隔離。

        (3)功率變換模塊(PowerConverter)對電機電流進行控制。電動汽車經(jīng)常使用的功率器件有大功率晶體管、門極可關斷晶閘管、功率場效應管、絕緣柵雙極晶體管以及智能功率模塊等。

        2 電控系統(tǒng)研究現(xiàn)狀及技術方向

        目前,電動汽車電機控制器多采用三相全橋電壓型逆變電路拓撲,部分產(chǎn)品前置雙向DC/DC變換器,以增大電機端輸入交流電壓,提升高轉(zhuǎn)速下的輸出功率,降低電機設計與生產(chǎn)成本。傳統(tǒng)控制器中直流支撐電容器體積龐大、耐高溫性能較差。

        為減小直流支撐電容器體積甚至取消直流支撐電容器,新型變換器電路拓撲和控制方法成為電動汽車應用研究的新熱點,但尚處于實踐探索階段。

        目前電動汽車用變流器的研發(fā)重點仍然多集中在電力電子集成方面。

        綜合技術和市場趨勢分析,未來,車用驅(qū)動電機系統(tǒng)的三個技術發(fā)展方向是永磁化、數(shù)字化和集成化。

        (1)永磁化指永磁電機具有功率密度和轉(zhuǎn)矩密度高、效率高、便于維護的優(yōu)點。目前電機永磁化趨勢正凸顯,一覽眾咨詢數(shù)據(jù)顯示,永磁同步電機在我國新能源汽車中的使用占比已超過90%。

        (2)數(shù)字化包括驅(qū)動控制的數(shù)字化、驅(qū)動到數(shù)控系統(tǒng)接口的數(shù)字化和測量單元數(shù)字化。用軟件最大程度地代替硬件,具有保護、故障監(jiān)控、自診斷等其他功能。

        (3)集成化主要體現(xiàn)在兩個方面:①電機方面:電機與發(fā)動機總成、電機與變速箱總成的集成化;②控制器方面:電力電子總成(功率器件、驅(qū)動、控制、傳感器、電源等)的集成化。未來把電機、減速機、控制器一體化,是一種趨勢,不僅減小了體積,更使得產(chǎn)品更加標準化。

        雖然國內(nèi)外控制器技術存在差異,但從2015年開始,新能源汽車產(chǎn)品類型多樣化,對不同的控制器需求更加豐富。單從數(shù)量來看,目前我國電動汽車電機控制器市場主要由國產(chǎn)品牌占據(jù),外資產(chǎn)品因其價格較高等原因,在市場的培育和初期發(fā)展階段所占份額較小。

        3 國內(nèi)外電控技術差異及趨勢

        目前,國內(nèi)驅(qū)動電機產(chǎn)業(yè)發(fā)展較快,整體水平達到國際先進水平。國內(nèi)整車匹配電機基本為本土生產(chǎn)。國內(nèi)外的差距主要表現(xiàn)在零部件和整車的同步開發(fā)。

        (1)電機

        我國經(jīng)過10多年的發(fā)展,在國內(nèi)的商用車(包括客車、卡車),還有乘用車、專用車(主要包含物流車)應用方面,當前國內(nèi)已經(jīng)完全具備了滿足這些新能源汽車要求的驅(qū)動電機和電機控制器的研發(fā)和制造能力,而且從產(chǎn)能來講的話,也是完全可以滿足需求。

        在驅(qū)動電機方功率密度、效率等指標,和國外先進水平基本相當。

        以日產(chǎn)Leaf純電動轎車為例,電機重量約為60Kg,峰值功率約為80Kw,作為對標產(chǎn)品,國內(nèi)的技術水平在功率密度和效率基本處于同一水平。

        在“十三五”國家規(guī)劃中,明確提出電機效率超過4Kw/Kg,國內(nèi)部分企業(yè)的量產(chǎn)產(chǎn)品已經(jīng)實現(xiàn)該目標,但是相較于國際最先進的產(chǎn)品水平,在控制器的體積上相差一倍以上。

        從電機本身角度來看,我國同國外企業(yè)在正向設計水平基本處于同一水平,同時也在向高密度和小型輕量化這方向不斷拓展。

        但從生產(chǎn)裝備和工藝來說,國內(nèi)由于單一產(chǎn)品的規(guī)模仍然較小,在工藝水平和規(guī)模上同國外存在一定差距。

        (2)電機控制器

        國內(nèi)的電力電子技術起步相對較晚,功率電子一直是制約我們國內(nèi)電機控制器發(fā)展的瓶頸。

        差距主要體現(xiàn)在功率器件技術,功率器件技術也不單單指模塊,也包含芯片的研發(fā)技術、封裝材料和封裝工藝技術,還涉及到電機控制器的集成技術。

        因為這些技術的時間差,使得國內(nèi)電機控制器的功率密度水平和國外量產(chǎn)的產(chǎn)品比較存在有些差距。2014年這種差距是一半,國內(nèi)控制器是國外同類控制器的兩倍體積。

        經(jīng)過這兩年的快速發(fā)展,國內(nèi)電機控制器功率密度比2014年提高了50%,在這一領域和國外這個差距縮小了很多。

        (3)電驅(qū)動總成測試評價

        從電驅(qū)動總成測試評價方面來講,主要分為電驅(qū)動系統(tǒng)層面和關鍵材料與器件層面。在電驅(qū)動系統(tǒng)層面,包括系統(tǒng)總成評價、功率標定評價、帶載EMC評價、NVH評價和電安全性評價。

        其中,對于功率標定評價來說,功率密度的評價維度很多,需要對各種邊界條件進行界定,保證測試方法的客觀性。

        在電磁兼容方面,目前帶載測試的應用仍然較少,空載狀態(tài)與驅(qū)動電機的實際運行工況差異較大,將會導致測試結(jié)果的巨大差距。

        驅(qū)動電機的NVH特性和電安全性能等也是測試評價的重要環(huán)節(jié)。

        4 結(jié)論

        在中國乃至全球范圍內(nèi),汽車電機都是電機業(yè)中的小分支,但是汽車電機制造門檻非常高,尤其是我國的電機驅(qū)動系統(tǒng)與國外驅(qū)動機系統(tǒng)相比還存在不小的差距與不足,得益于政策的扶持和電機巨頭對市場的重視,目前中國的新能源汽車產(chǎn)業(yè)正在加快發(fā)展步伐。

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