电动汽车电机驱动系统现状与发展趋势

朱苏雨

【摘  要】本文对电动汽车电机驱动系统发展状况以及所存在的问题进行罗列和分析，并总结出电机驱动系统的未来发展趋势。

【关键词】驱动电机;电机控制器;新一代IGBT技术;轮毂电机

Abstract：this paper lists and analyzes the development status and problems of electric vehicle motor drive system，and summarizes the future development trend of motor drive system.

Key words：drive motor，motor controller，IGBT technology，hub motor.

引言

由于能源危機和环境污染问题，电动汽车即将成为新的一代科技明星。电动汽车清洁无污染、能量效率高、低噪音的优点，使得电动汽车的产业化势不可挡。在电动汽车的产业化过程，企业和客户都非常关注电动汽车的可靠性。驱动系统是电动汽车的关键部件之一，其可靠性研究不但能够获得电动汽车电机驱动系统的可靠性指标，为行业提供经济适用的可靠性考核方法和可靠性考核标准，能够大力促进我国电动汽车的产业化，加快我国电动汽车的快速发展。

一、电机驱动系统目前的研究情况

目前国内的车用驱动电机系统已达到了小批量生产的水平，包括各种类型电机以及风冷、水冷等冷却形式，涵盖5kW～ 180kW功率范围。部分系统指标（如比功率和系统效率）达到了国际先进水平。

系统中应用了矢量控制、直接转矩控制等控制方法，采用了IGBT等全控型电力电子器件，DSP等先进的数字处理器，CAN总线通讯模式等控制技术，对参数辨识，效率优化，死区补偿等专门的问题开展了有针对性的研究，取得了卓有成效的成果，有一大批车辆已在城市道路上进行示范运行。[1]

二、电机驱动系统目前存在的问题

电驱动系统主要由电机控制器、驱动电机组成。电动机的作用是将电源的电能转换为机械能，并通过传动机构驱动车轮转动;电机控制器是连接电池与电机的能量转换单元，是电驱动控制系统的核心，主要包含 IGBT 功率半导体模块及相关电路等硬件部分以及电机控制算法和逻辑保护等软件部分。电机驱动系统是新能源车辆行驶中的主要执行机构，驱动特性决定了汽车行驶的主要性能指标。[2]但是就目前电机控制系统的研发来说，还存在相当多的问题。

1.电机控制器目前存在的问题

由全球的技术研发来看，当汽车行驶在路况较复杂或交通条件较为拥堵的道路时，驾驶员需要对车辆进行频繁的操作，相应的电机也需要时刻更换工作状态，那么电机控制器也多数时间处于不稳定的工作状态。在这种恶劣的操作环境下，多次频繁地改变电机控制器的状态可能使得其反应灵敏度降低甚至由于超负荷而造成控制器的烧毁。

2.驱动电机目前存在的问题

目前电动汽车普遍采用永磁同步电机。永磁同步电机具有效率高、转速范围宽、体积小、重量轻、功率密度大、成本低等优点，成为纯电动乘用车市场的主要驱动电机。但是永磁同步电机面临以下几方面的技术难点：

（1）从功率密度方面考虑

功率的提升有两种途径，一种是提高扭矩，另一种是提高转速。前者主要问题是过载电流加大，造成发热量高，给散热造成较大压力;后者是高速时铁磁损耗大，需采用高性能低饱和硅钢片，从而使成本提高;或采用复杂的转子结构，但影响功率密度。

（2）从材料方面考虑

永磁材料也是制约永磁同步电机性能提升的重要因素，目前常用的永磁材料钕铁硼主要存在温度稳定性差、不可逆损失和温度系数较高以及高温下磁性能损失严重等缺点，从而影响电机性能。

驱动电机对于电动汽车来说相当于发动机对于传统汽车一样是整个车的动力来源，他的重要性不言而喻，因此要想大范围推广电动汽车，这两方面问题是当前急需解决的。[3]

三、未来电机控制系统的发展方向

未来电驱动主要特征有：集成化、模块化、定制化、新材料，以实现电驱动高效率、高功率密度、高可靠性、低成本的愿景。

1.未来电机控制器的发展方向

新一代IGBT技术

IGBT功率半导体模块是以低损耗、高频率开关著称，由多个IGBT芯片连接组成。在当今能源短缺的时代，为了节能减排，国家出台了很多关于能源消耗和环保的政策，这也使得各行各业都在依照国家标准和环保理念进行改进、研发，而IGBT模块的节能、稳定的优点，使得其市场逐渐的开阔，也进一步的促进了IGBT模块在电动汽车行业的发展。同时，因为电动汽车的驱动电机的功率较大，IGBT芯片能适应大功率，这就使得IGBT芯片在电动汽车上的使用更加的合适和频繁。

目前比亚迪在IGBT芯片技术已有重大成就。据比亚迪第六事业部产品总监杨钦耀介绍，比亚迪所掌握的新一代IGBT4.0技术将带来诸多技术参数的突破，甚至在诸多关键技术参数上优于当前国市场主流产品。最核心的优势包括电流输出能力提升15%、综合功耗降低20%以及温度循环能力提升至行业主流产品10倍以上。据悉，这一芯片技术在2017年研发成功，并于今年投入量产。[4]

2.未来驱动电机的发展方向

驱动电机对于电动汽车来讲相当于是它的肌肉组成，汽车的动力来源几乎来自于驱动电机。就目前中国的新能源汽车的发展趋势可知，驱动电机在国内的需求量非常大。以下便是一种未来驱动电机发展趋势。

轮毂电机

随着汽车的新能源化，汽车的结构更加简单，简单到只需要电池包和电机就可以替代传统的发动机。但是对于传统车辆来说，离合器、变速器、传动轴、差速器乃至分动器都是必不可少的，而这些部件不但重量不轻、让车辆的结构更为复杂，同时也存在需要定期维护和故障率的问题。[5]由此，轮毂电机的概念就被提了出来。传统电动汽车的传动方案是把电机的输出扭矩通过变速器和差速器等传递到车轮。轮毂电机的技术就是将电机装在轮毂内，不经过任何机械结构的传递，直接驱动车轮。

四、总结

经过本次调研我们可以得出结论：电机控制器未来的发展一定要符合市场的需求规律，乘用车电机驱动系统对电机的驱动控制精度，操控性能，安全性和稳定性等方面要求更高，随着乘用车市场快速增长以及大型厂商在乘用车电控领域不断投入硏发，未来有望逐步渗透进乘用车市场。目前我国规模化生产的电机控制器相比国外还比较落后，但将重点放在未来的乘用车市场将会有更好的效果。中国是世界工厂电机控制器的大规模制造将会带来产品价格的优势，便宜耐用将会是未来我国电机控制器最大的优势。同时国内相关企业也应该迎合国家政策的走向，迎合大众国民的确切需求，市场才是驱动技术革新的原动力。

参考文献：

[1]窦汝振，李磊，宋建锋.电动汽车用驱动电机系统的现状及发展趋势.中国汽车技术研究中心.2018-07-02.

[2]闫茂德，龚贤武.电动汽车驱动与控制技术.长安大学.2019-02.

[3]厚势.新能源汽车驱动电机发展现状及趋势分析.第一电动网.

[4]中国又一高端芯片打破国际垄断 电动汽车核心技术告别“卡脖子”时代.环球网.2018-12-11.

[5]驱动视界.轮毂电机和轮边电机，谁将主宰未来？.知乎.2018-11-26.

（作者单位：长安大学汽车学院）