技術(shù)|新能源汽車用電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)簡要分析比較

2017-10-27 18:49:48 電動(dòng)汽車資源網(wǎng) 　點(diǎn)擊量：評(píng)論 (0)

目前，新能源汽車(包括低速車)產(chǎn)業(yè)在全球范圍內(nèi)發(fā)展迅猛，異軍突起。作為三大核心技術(shù)之一的電機(jī)及其控制，目前是什么狀況呢。本文將談一點(diǎn)自己的粗淺認(rèn)識(shí)。1、錯(cuò)誤的認(rèn)識(shí)整體上，就新能源汽車三大技術(shù)(整車系統(tǒng)

目前，新能源汽車(包括低速車)產(chǎn)業(yè)在全球范圍內(nèi)發(fā)展迅猛，異軍突起。作為三大核心技術(shù)之一的電機(jī)及其控制，目前是什么狀況呢。本文將談一點(diǎn)自己的粗淺認(rèn)識(shí)。

1、錯(cuò)誤的認(rèn)識(shí)

整體上，就新能源汽車三大技術(shù)(整車系統(tǒng)、電池系統(tǒng)、電機(jī)系統(tǒng))而言，有不少人認(rèn)為汽車用電機(jī)及其控制技術(shù)是成熟的，核心問題還是電池系統(tǒng)。因此忽略了對(duì)電機(jī)的研發(fā)和性能提升。但是實(shí)際情況則完全不同。我國新能源汽車的動(dòng)力系統(tǒng)，也就是電機(jī)系統(tǒng)，和歐、日相比，總體上是處于相當(dāng)?shù)穆浜鬆顟B(tài)的。

這一落后，很大地限制了整車的操控性、節(jié)電性、續(xù)航性和智能化等關(guān)鍵性能。落后的電機(jī)對(duì)電池系統(tǒng)帶來的巨大沖擊也被忽略，實(shí)際上電機(jī)系統(tǒng)是造成電池壽命和性能衰減的一個(gè)重要因素。沒有電機(jī)系統(tǒng)的性能提升，我國的新能源汽車產(chǎn)業(yè)，不可能“彎道超車”，只會(huì)在低檔次產(chǎn)品上惡性競爭，中、高檔產(chǎn)品不可能和歐、日本在全球范圍內(nèi)競爭。未來而言，不采取措施的話，這個(gè)局面和目前的內(nèi)燃機(jī)汽車的局面會(huì)驚人相似：我國干低檔、國外干高檔。

2、目前的電機(jī)種類

目前作為新能源汽車的主流電機(jī)系統(tǒng)，由三大類構(gòu)成：

1)、交流異步變頻電機(jī)系統(tǒng)。

2)、稀土永磁同步電機(jī)系統(tǒng)。

3)、開關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)。

交流異步變頻電機(jī)系統(tǒng)，我們稱之為傳統(tǒng)電機(jī)。其技術(shù)成熟、可靠、產(chǎn)業(yè)鏈完整，因此被大量使用于新能源汽車(尤其是缺乏標(biāo)準(zhǔn)的低速車)。但是，這類電機(jī)效能落后，無論是電流扭矩關(guān)系，還是系統(tǒng)綜合效率等等各個(gè)方面，其實(shí)都是不適合用于車輛，也不符合節(jié)能的內(nèi)涵(這類電機(jī)對(duì)電池沖擊很大，所需電流也很大)。另外加之技術(shù)“簡單”，“誰都可以干”，小作坊也可以干。因此目前競爭非常激烈，造成價(jià)格幾乎沒有利潤，整車廠壓款。在這樣一個(gè)低價(jià)競爭的前提下，廠家不可能對(duì)其進(jìn)行深入改良和性能提升。因此，這類電機(jī)和市場對(duì)其提高續(xù)航里程的迫切需求，形成悖論和矛盾。所以這類電機(jī)用于新能源汽車，在我國是沒有很大的前途的。

當(dāng)然這不是說它不可以用，而是只能作為低檔次品使用。順便說一句，在我國企業(yè)，目前的背景下，是造不出特斯拉汽車那樣的電機(jī)的。特斯拉用的也是異步變頻電機(jī)，但是其設(shè)計(jì)、工藝、材料、精度，不是我們可以做到的。盡管如此，特斯拉汽車的電機(jī)也是非常耗能(電)的，并不符合新能源汽車的節(jié)能本質(zhì)精神，并不完全值得效仿。那么稀土永磁電機(jī)如何呢?

首先，稀土永磁同步電機(jī)是一種高性能電機(jī)系統(tǒng)!具備很多優(yōu)勢(shì)，比如功率密度、效率、智能控制等等。加之技術(shù)比較成熟、人才也多、短時(shí)間內(nèi)容易上項(xiàng)目，因此目前在我們國家興起了“永磁電機(jī)熱”，各個(gè)整車企業(yè)也在考慮使用這類電機(jī)系統(tǒng)，或正在使用。

然而，影響此類電機(jī)持久普及的有兩個(gè)致命問題：一是退磁，一是價(jià)格戰(zhàn)。永磁的“永”，不是永遠(yuǎn)的意思，而是長期的意思。在我國當(dāng)前材料、技術(shù)、工藝、成本的能力框架內(nèi)，想系統(tǒng)地“解決”汽車用電機(jī)的退磁問題，其實(shí)是不可能的。3、4年后的事實(shí)將證明這一點(diǎn)。

高溫、振動(dòng)甚至自然退磁，都需要一系列復(fù)雜的技術(shù)來解決，包括和整車設(shè)計(jì)的聯(lián)動(dòng)(比如冷卻系統(tǒng)、減振系統(tǒng)等等)，而不是僅僅靠提高電機(jī)本身的防退磁能力就可以“解決”。因此，我們說實(shí)驗(yàn)室里的獨(dú)立的永磁電機(jī)產(chǎn)品，性能可以做到極其優(yōu)越，甚至超乎想象。但是一上工況，則截然不同了。

無論工程師們?nèi)绾谓忉屨f“已經(jīng)解決退磁問題了”，都是片面和錯(cuò)誤的。這不是說工程師們說謊，因?yàn)檫@不僅僅是電機(jī)本體一家的事情。事實(shí)上，歐洲、日本正在減少對(duì)永磁電機(jī)的研發(fā)和使用，悄然而明確地轉(zhuǎn)向了開關(guān)磁阻電機(jī)，這不僅僅是資源問題。同時(shí)，如果想比較徹底的解決退磁問題，就需要把余量設(shè)計(jì)的大一些，用更好的永磁體，那么成本就是問題。目前在我們國家的“永磁電機(jī)熱”，必將導(dǎo)致低價(jià)競爭(其實(shí)已經(jīng)出現(xiàn))，那么性能和成本，又會(huì)出現(xiàn)悖論和矛盾。

我個(gè)人預(yù)測，汽車行業(yè)如果大量使用低價(jià)的永磁電機(jī)，3、4年后，將會(huì)出現(xiàn)大面積退磁，造成無可收拾的局面。誰也不愿意買一輛只能用3、4年的電動(dòng)汽車。實(shí)際上，在山區(qū)城市，每天頻繁駕駛爬坡，不用2年可能就退磁了。

當(dāng)然，這不是說永磁同步電機(jī)就不可以使用，事實(shí)上，它有自己適合的車型。作為能量密度高、高效電機(jī)，永磁電機(jī)最適合用于平坦地區(qū)的高檔轎車。換句話說，不太適合用于物流車、中巴和大巴車、SUV、工具車、工程車輛等需要連續(xù)過載和發(fā)力的車型，也不適合在山區(qū)、顛簸路面使用。再來談?wù)勯_關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)。

從性能而言，開關(guān)磁阻電機(jī)可以說是天生為汽車而生。為什么這么說呢?有必要在這里談一下其主要特性。

1、)最重要的特性

起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，但是起動(dòng)電流小，負(fù)載啟動(dòng)扭矩可控范圍大。對(duì)電池沖擊極小,是電池友好型電機(jī)。

控制系統(tǒng)從電池吸收很小的電流，電機(jī)可得到很大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩是其最大特點(diǎn)。起動(dòng)電流小而轉(zhuǎn)矩大的優(yōu)點(diǎn)還可以延伸到低速運(yùn)行段。其實(shí)，啟動(dòng)過程是一個(gè)平均概念(0到額定轉(zhuǎn)速的50%)，實(shí)際上開關(guān)磁阻電機(jī)從靜止到啟動(dòng)，瞬時(shí)的電流非常小。這賦予了這類電機(jī)可以豐富像想和二次開發(fā)的性能空間。

2、)電機(jī)系統(tǒng)高效區(qū)非常寬，不僅僅是一個(gè)額定效率的概念。在“全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)”都具有比較高的效率。

本系統(tǒng)是一種非常高效的調(diào)速系統(tǒng)。這是因?yàn)橐环矫鍿RD的轉(zhuǎn)子無銅損;另一方面電機(jī)可控參數(shù)多，靈活方便，易于在寬轉(zhuǎn)速范圍和不同負(fù)載下實(shí)現(xiàn)高效優(yōu)化控制。就高效區(qū)的寬度而言，處于所有主流電機(jī)的首位(超過永磁同步)。

3、)電機(jī)系統(tǒng)恒功率區(qū)寬

就恒功率區(qū)的寬度而言，開關(guān)磁電機(jī)局域獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

4、)對(duì)車輛負(fù)載的變化自動(dòng)檢測，從而調(diào)整電流大小，從根本上實(shí)現(xiàn)節(jié)電SRD系統(tǒng)在運(yùn)行中，其智能控制部分，能自動(dòng)感知車輛負(fù)載(電動(dòng)機(jī)負(fù)載)的大小和變化，并據(jù)此自動(dòng)調(diào)整從電源側(cè)所取電流大小，從本質(zhì)上實(shí)現(xiàn)了節(jié)電。

5、)可頻繁帶載起停、正反向頻繁轉(zhuǎn)換運(yùn)行

系統(tǒng)具有的高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩、低起動(dòng)電流的特點(diǎn)，使之在起動(dòng)過程中電流沖擊小，電動(dòng)機(jī)和控制器發(fā)熱較連續(xù)額定運(yùn)行時(shí)還要小。磁阻電機(jī)制動(dòng)運(yùn)行與電動(dòng)運(yùn)行具有同樣優(yōu)良的轉(zhuǎn)矩輸出能力和工作特性，電動(dòng)運(yùn)行和制動(dòng)運(yùn)行切換方便、迅速，二者綜合作用的結(jié)果必然使之適用于頻繁起停及正反向轉(zhuǎn)換運(yùn)行。

6、)負(fù)載下可瞬間響應(yīng)

從0轉(zhuǎn)到額定轉(zhuǎn)速，耗時(shí)可控到20毫秒-200毫秒。比如，根據(jù)必要，百公里提速可低于3秒。

上述幾點(diǎn)特性，聯(lián)合作用，確保了開關(guān)磁阻電機(jī)是應(yīng)用于變載、輕載、重載爬坡啟動(dòng)、頻繁啟停等工況下車輛的最優(yōu)秀的電機(jī)系統(tǒng)。

7、)低速下可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩

8、)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，適用于高速、超高速的運(yùn)轉(zhuǎn)。

9、)不存在退磁問題，也不存在資源問題。

10、)耐操控性能好，用于賽車，可反復(fù)使用。

那么，既然SRD系統(tǒng)這么優(yōu)秀，為什么還沒有大規(guī)模使用呢?

因?yàn)槟壳吧a(chǎn)的產(chǎn)品不合格。也就是說國內(nèi)很多公司還沒有掌握其核心技術(shù)。SRD的技術(shù)復(fù)雜、深入而體系，跨多種學(xué)科，可以說是一種最難研發(fā)的控制類電機(jī)。而且目前國內(nèi)人才很少，能夠兼顧電機(jī)本體、控制系統(tǒng)、電力電子三大系統(tǒng)的綜合技術(shù)人才，我們稱之為SRD項(xiàng)目帶頭人，遠(yuǎn)少于永磁電機(jī)。實(shí)際上目前我國全國的、稱職的應(yīng)用型SRD項(xiàng)目帶頭人，不超過15人。這比永磁電機(jī)系統(tǒng)要少100倍(簡單數(shù)字比較)。而且領(lǐng)導(dǎo)這樣跨學(xué)科、原創(chuàng)型的項(xiàng)目，也需要高水平的企業(yè)管理人才和先進(jìn)管理邏輯來協(xié)調(diào)、駕馭。這也是我國的弱項(xiàng)。

同時(shí)，另外一個(gè)重要因素是開關(guān)磁阻電機(jī)自身的一些缺點(diǎn)也限制了其應(yīng)用。那就是被“廣為詬病”的振動(dòng)噪音和功率密度。SRD的低速振動(dòng)、噪音，的確是一個(gè)“問題”。但不是不可以抑制，而完全是個(gè)技術(shù)、工藝和成本問題。事實(shí)上，目前我國能夠解決這個(gè)問題、并且可以批量生產(chǎn)的，目前大概只有兩個(gè)團(tuán)隊(duì)。一是山東的AICI艾磁團(tuán)隊(duì)(就是我所帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì))，有5-11年連續(xù)SRD的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，集聚了這個(gè)領(lǐng)域17位高水平研發(fā)人員(并正在發(fā)展成45人的研發(fā)隊(duì)伍)，項(xiàng)目領(lǐng)頭人多于5位，而且和多所國內(nèi)外大學(xué)、多名海歸專家建立有聯(lián)合開發(fā)關(guān)系和技術(shù)共享關(guān)系，掌握了新能源汽車用srd的專有技術(shù)和核心技術(shù)。目前已經(jīng)開始批量生產(chǎn)和供應(yīng)。

開關(guān)磁阻電機(jī)的另一個(gè)缺點(diǎn)是功率密度不理想，體積大。這一點(diǎn)其實(shí)并不是致命問題。就其技術(shù)而言，完全可以通過提高轉(zhuǎn)速來解決(開關(guān)磁阻電機(jī)可以在軸承許可的前提下，做到幾十萬轉(zhuǎn)。)，當(dāng)然，也可以通過材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來減小體積。

3、結(jié)論

上述三種電機(jī)，各有優(yōu)勢(shì)，未來會(huì)并存。下表是我預(yù)測的不久未來新能源汽車用電機(jī)的布局、市場細(xì)分。主要是比較了開關(guān)磁阻電機(jī)和永磁同步電機(jī)。

4、國外趨勢(shì)

混合動(dòng)力車型，傾向于使用永磁同步電機(jī)，比如豐田。但是，逐步減少對(duì)永磁電機(jī)的使用，歐洲和日本基本形成“共識(shí)”。這一是因?yàn)橘Y源問題，一是因?yàn)橥舜艈栴}造成在汽車上使用的技術(shù)障礙。

目前日本的豐田、三葉、電產(chǎn)、電裝、三菱等公司已經(jīng)完成了開關(guān)磁阻電機(jī)技術(shù)的準(zhǔn)備，他們下一代的全電汽車，將搭載開關(guān)磁阻電機(jī)，而不是永磁電機(jī)。捷豹路虎不遲于2018年將推出搭載開關(guān)磁阻電機(jī)的全電SUV，這將是全球第一款高性能全電動(dòng)SUV。事實(shí)上，國外已經(jīng)完成了開關(guān)磁阻電機(jī)的技術(shù)布局。

原標(biāo)題:技術(shù) | 新能源汽車用電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)簡要分析比較

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