技術(shù)|新能源汽車用電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)要分析比較
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(jìng)爭(zhēng),中、高檔產(chǎn)品不可能和歐、日本在全球范圍內(nèi)競(jìng)爭(zhēng)。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(jiǎn)單”,“誰都可以干”,小作坊也可以干。因此目前競(jìng)爭(zhēng)非常激烈,造成價(jià)格幾乎沒有利潤(rùn),整車廠壓款。在這樣一個(gè)低價(jià)競(jìng)爭(zhēng)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(chǎng)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(zhǎng)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(jìng)爭(zhēng)(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(cè),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(cè),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(jiǎn)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(jiǎn)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(cè)的不久未來新能源汽車用電機(jī)的布局、市場(chǎng)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(jiǎn)要分析比較
責(zé)任編輯:lixin
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