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| 新能源汽车驱动电机的现状及发展方向 |
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| 发布时间：2009-10-18 发布者：AMTS展会 |
上海电驱动有限公司和上海大郡自动化系统工程有限公司访问记
在新能源汽车驱动电机系统是除能源储存系统(蓄电池)和控制系统之外的又一关键零部件。
最近，本刊记者就“新能源汽车的驱动电机的产品型式、各自优缺点、发展方向，以及新能源汽车对驱动电机有哪些要求、驱动电机的国内外差距等问题分别采访了上海电驱动有限公司贡俊总经理和杨锟副总工程师，以及大郡自动化系统工程有限公司徐性怡总经理。
上海电驱动有限公司于2008年7月8日由上海安乃达驱动技术有限公司、中科院北京中科易能新技术有限公司、宁波韵升股份有限公司共同发起成立。公司集中国内优势资源，主要从事新能源汽车电驱动系统的研发、生产和销售。公司目前已形成纯电动车、混合动力车驱动电机、轮毂电机和辅助电机等四个产品研发平台，完成了三种系列化产品的自主开发，在“十•五”、“十一•五”“863电动汽车重大专项”和“节能与新能源汽车重大项目”中承担《车用多模式永磁驱动电机系统研发》和《车用永磁驱动电机制造工艺应用研究》等课题开发。
驱动电机的特殊要求
因为是安装在汽车这样一个空间狭小而工作状态和环境又相对复杂的可高速移动的消费品物体内，因此贡俊总经理如下简要归纳了新能源汽车对驱动电机的要求：
1. 体积小、重量轻。
2. 在整个运行范围内的高效率。
3. 低速大转矩特性及宽范围内的恒功率特性。即使没有变速器，电机本身也应满足所需要的扭矩特性。
4. 高可靠性。在任何情况下都应确保具有高度的安全性。
5. 价格低。
根据这些要求，产品必须满足以下要求：
① 电机电磁性能的优化设计。
② 热管理设计和冷却方式的合理选择。
③ 相适应材料的应用。
④ 电机结构合理设计。
⑤ 满足车用工况的电机工艺研究。
特别是汽车在运行过程中的工况及路况比较复杂，对此整车厂需要根据实际情况提出有针对性的电机需求。
从目前情况来看，公司生产的驱动电机产品已经在新能源汽车上无故障运行了4年多，单车累计行驶里程超过5万公里。
我国是电机制造及应用大国，有较好的工业基础。但对电动汽车用电机，起步时间不长，尚需要从汽车应用的角度入手，整车厂与电机厂共同携手研究制造出满足汽车专用电机
差距及其所表现的方面
与此同时，贡总强调指出，同国际先进水平相比，我国电动车用电机的差距主要体现在以下几个方面：
1. 电机控制器和DC/DC转换器的体积、质量相对偏大。
2. 对车用环境适应性考核不足。
雄心勃勃的未来
尽管如此，贡俊总经理对公司的未来发展规划仍充满了信心。他说，由于新能源汽车尚处于研制开发和示范运行阶段，还是小批量试生产，生产规模较小。今年仅具有12000台套的生产能力，但到明年就具有50000台套的生产能力，2011年将达100000台套的生产能力。目前，上海电驱动有限公司产品开发的应用车型有纯电动轿车、燃料电池轿车、串联插电式混合动力轿车、混合动力轿车、微型电动轿车、混合动力客车等车型。产品品种有驱动电机、ISG电机和轮毂电机(见表3)。这些产品与奇瑞、华晨、华普、北汽、上汽、吉利、长安、一汽、玉柴等的新能源车都有合作配套关系。
在谈到稀土永磁同步电机时，贡俊解释道，稀土永磁同步电机效率高。永磁材料之本在于其三大特殊性能：高剩磁，高矫顽力和最大磁能积。20世纪30年代以后铝镍钴永磁合金以其优异性能在很长时间内占统治地位。20世纪50年代，铁氧体永磁材料投入生产。20世纪70年代以来，以钐钴合金和钕铁硼合金为代表的第二代稀土永磁合金的先后诞生，并在全世界掀起了研究和探索新型永磁材料的高潮。
稀土永磁材料被广泛用于制造汽车电机、传感器、磁推轴承、核磁共振成像仪、电子仪表和磁选机等。目前，正在研发新一代新型稀土永磁材料，以求降低成本，提高性能。日本的混合动力车是汽车行业中稀土金属的最大用户。
在回答记者提问混合动力车和纯电动车，减速和制动时制动能量回收，如何使驱动电机变为发电机的问题时，杨锟副总工程师解释说“由永磁无刷电机的工作原理可知，只需改变同一磁极下定子电流方向，就可改变电机输出扭矩的方向，在保持电机转向不变的前提下，通过改变定子电流的方向，使电机产生反向力矩，就可达到制动效果，而要改变定子电流方向只需改变三相逆变器功率管的导通顺序”。
相关连接：新能源汽车用驱动电机有4种类型：直流电机、无刷永磁电机(永磁同步电机和直流无刷电机)、异步电机和开关磁阻电机。
上海大郡自动化系统工程有限公司成立于2006年 9月，地处上海漕河泾国家级技术开发区浦江高科技园区，现有员工80人，多位核心成员曾长期在美国留学并从事电力电子、电动汽车的研发工作。该公司主要产品为混合动力车、电动车、燃料电池车的驱动电机系统。其基本经营思想是根据市场的需要，采用适用的技术，尽快进入市场。第一步是以国外的先进技术服务中国市场，建立、完善、验证国内电力电子产品的生产和质量管理能力；第二步以国内低成本、高质量产品进入国际市场竞争
新领域新认识
徐性怡总经理首先介绍了大郡公司从2003年进入国家科技部863项目以来，重点开发永磁-磁阻同步电机及其控制系统，并对各类电机进行了定性比较研究的情况。
徐性怡认为电动汽车和混合动力汽车采用的电机系统主要有三类：
1. 中、轻度混合动力汽车用集成起动发电机(Integrated Starter Generator-ISG)系统。主要是由一个与发动机一体封装的ISG电机，使发动机频繁起动、停止，以实现发动机节能减排功能。这种解决方案有一个显著的优点，即其结构简单，对原来传统汽车的改动非常小，而且对蓄电池没有太多新的要求，因此成本比较便宜。而节油效果也能达到15%左右，性价比比较高。因此，采用ISG系统的中、轻度混合动力方案就成为了国内众多汽车企业比较乐意采用的一种近期的解决方案。日本本田和我国的长安、奇瑞等公司的混合动力汽车即采用了ISG系统。
2. 牵引电机(Traction Motor -TM) 系统。牵引电机系统主要用于纯电动汽车和强混合动力汽车，为车辆提供牵引动力。
3. 以上两类电机系统组合而成的双电机系统，即一个集成起动发电机(ISG)加一个牵引电机(TM)的组合。这种双电机系统可用于强混合动力汽车，如丰田普锐斯，一汽奔腾等。也可以用于增程型(Range Extender)串联插电式(Plug-in)混合动力汽车，如通用的VOLT等。双电机系统虽然结构较复杂，成本也较高，但其节油效果很好；尤其是串联插电式混合动力车可通过晚上补电的方式大大减少燃油消耗，使车主的运行成本大幅降低。因此，双电机系统得到了各大整车厂商的重视。
他强调指出，汽车用电力电子和高压大功率电机控制系统是一个比较新的技术，上世纪90年代末才进入汽车应用领域。工业应用与汽车应用对电机系统的不同要求。
认清差距与迎接挑战
在谈到我国驱动电机与国外相比有哪些差距和面临的挑战的时候，徐总凭着他丰富的国内外工作阅历，做了非常到位的分析。他说在性能方面，经过十多年的发展，尤其是国家863电动汽车重大专项的实施以来，可以说电动汽车用电机系统获得了长足的进步。在其基本功能和性能方面已经接近国际先进水平。大郡公司开发的牵引电机系统最高效率已经能够达到95%。电机功率密度已达到1.3kW/kg左右(丰田大约在1.35kW/kg~1.4kW/kg)，因此在这方面差距不算大。但是在控制器层面上，我国牵引电机的集成度水平尚处于丰田第一代和第二代之间(大约在2000年左右)。与当今的丰田第三代相比较，主要存在以下差距：
首先，机电一体化集成度不够，丰田已经把电机与变速器有机地集成在一起，从而可以通过调整速比进一步优化电机的输出功率和尺寸。而我国则受制于变速器的工业设计、制造能力，从而造成这方面进展比较缓慢。尤其没有合适的速比可达10∶1的电机减速器。
其次，丰田利用其汽车制造能力，改进传统电机和电力电子产品的制造能力。比如他们的第三代系统在控制器的散热方面利用了很多汽车散热器技术，开发出了一套高性能的散热系统，从而提高了集成度。
第三，丰田通过采用不同的电力电子技术来改变传统电机控制系统的构造，使得系统的效率进一步提高。比如，在丰田第二代的THS双电机系统中，引进了一个大功率的DC/DC转换器，使电机的母线电压和蓄电池的母线电压可以分开。这样一方面使在把电机的母线电压从300V逐步提升到了500V，甚至到650V，从而大大提升了电机系统的输出功率；另一方面解决了提升蓄电池的电压，势必增加单体电池串联的个数，从而有可能降低了蓄电池系统可靠性的问题。
徐总进一步说，由于我国新能源汽车在示范运行阶段，产量不大，因此造成在制造工艺方面也有很大差距。手工绕线圈、手工装配等传统落后工艺比之国外自动生产线大批量生产，其产品生产一致性差，而导致可靠性差。丰田之所以能够在比较短的时间内连续推出三代产品，就是因为有了一定规模的销售，使其能够很快积累了实际应用中出现的问题，并加以改进。中国的电动汽车市场应该是世界上最大的，对电动汽车和新能源汽车的要求也是最迫切的，政府又给了很多政策来推行示范运行，所以国内的关键零部件供应商(包括电机、蓄电池)就有一个机会能够在政府支持下尽快进入市场试用，然后再改善。电机系统现在已经满足了试用水平的要求，今后可以在2~3年内对自己产品重大缺陷进行针对性改进，再加上在制造层面上，中国作为世界制造工厂所具有的竞争力，因此相信我国的电机系统、蓄电池等可以用一个比较快的速度接近丰田的水平。
此外，我国的电机性能和试验标准大大落后于国外标准。同时，试验设备缺少，也是造成我国电机产品质量与国外有很大差距的原因。
徐总接着说，新能源汽车应用的电机系统所面临的挑战主要有：1)封装尺寸；2)可靠性；3)电磁兼容性(EMC)；4)成本。
为了满足封装的需求，要采取高性能、高密度的电机技术；
为了满足可靠性的需求，必须要强化可靠性设计和认证的能力；
至于电动汽车的电磁兼容性问题则较为复杂。因为电机系统的电力电子控制器采用快速切换高电压、大电流的开关技术。这是一个很强的干扰源。而汽车本身的电子部件众多，相互位置特别接近，因此更易受到干扰。要解决这个问题，需要经过长时间的反复试验，积累经验，逐步完善滤波与屏蔽设计；
成本的挑战需要和整车制造商、零部件供应商一起合作解决。首先，要从整车对电机的设计需求出发，不要过度设计。其次，可以借鉴汽车工业所具备的制造能力与经验，用于电机及控制器的制造，以降低制造成本。当然，随着产量的上升，成本也可望得到较快的下降。
在谈到当前一个比较热门的话题，关于国内有丰富的稀土资源时，徐总说大郡公司生产的永磁-磁阻同步电机，是在永磁同步电机的基础上增加了磁阻转矩，有助于提高电机的过载能力和功率密度，易于弱磁调速，扩大恒功率范围。永磁-磁阻同步电机代表了电动汽车用驱动电机发展方向，如丰田、本田、通用、福特等都采用了这种技术。
满足新能源汽车要求的思路
最后，徐性怡就如何满足新能源汽车对驱动电机系统要求的问题概括了以下几点：
首先，要细化、优化设计需求，即要根据整车产品的实际需要来确定电机系统的设计。产品设计要能够满足用户对产品的期望需求，既不能设计不足，也不要过度设计。虽然在实践中很难做到完美，但是在实际工作中要尽量与整车客户共同分析电机系统的最恶劣工况，例如电机输出力矩最大值和最高工作环境温度的确定等。这都是决定电机及控制器大小和成本的关键指标；
第二，要做系统的设计优化。电机控制系统主要由电力电子控制器和电机组成。这会涉及很多的参数，因此需要做一个系统的优化。例如在设计电机驱动系统时，要研究确定是直接驱动，或是用电机加一个减速器方案。因为在输出功率相等的情况之下，如果电机转速越高，力矩就越小，尺寸也就越小，成本就越低。因此采取直驱结构，节省了减速器，那么系统就简单了。但如果是一个低速大扭矩电机，成本会较高。反之如果采用减速器，虽然电机的体积和成本下来了，但增加了减速器。孰优孰劣需要根据具体情况决定。
另外，是控制器与电机之间的取舍。在某些场合下，电机的封装尺寸是最难解决的问题。那么采用小电机、大控制器的设计也是一个可供选择的方案。总之，需要根据设计需求，以及由此所引发的一系列设计限制，对整个系统进行优化设计，以满足各方面的需要。
第三，强化、优化设计与认证测试能力。尤其是对可靠性设计与认证能力。大部分时候过度设计是由于对可靠性的判断不清而造成的。比如散热问题，当不知道设计的散热能力够不够用的时候，很可能为了保证产品的安全运行而设计一个很大的散热系统。这就提高了成本。但是设计与认证测试能力不可能一蹴而就，大郡公司是经过了20年电动汽车电机系统的开发与设计，才积累比较丰富的经验。
第四，在降低制造成本方面，大郡公司结合国外先进的质量管控理念和手段，利用国内已经成熟的低成本制造工艺，并结合优化的设计，从而使得整体成本具有竞争力。特别是在满足电机驱动系统的性能要求方面，因为具有十几年国外的工作积累和国家863项目七年多的锻炼，其设计的电机水平已接近世界先进水平，而且设计的电机是基于中国的材料和制造工艺，因此在成本上有优势。电机最高系统效率都在93%~95%，接近世界先进水平。
电机驱动系统产品四大系列
经过国家科技部“863电动汽车重大专项”“节能与新能源汽车专项”的经验积累，大郡公司已形成四个电机系统产品系列。
1. 中度混合动力轿车用ISG系统，目前主要应用在长安杰勋混合动力轿车上。2008年6~9月装配大郡公司驱动电机系统的杰勋车服务于奥运会。2008年12月，科技部“十三城千辆计划”在重庆首批10辆杰勋车交付重庆市政府销售。2009年6月，杰勋ISG混合动力轿车上市销售。其配套驱动电机的电压为105~190V，峰值功率为15kW，峰值扭矩为110Nm，最高转速为6500r/min，系统效率90%，扭矩控制精度≤3%。
2. 强混合动力车用双电机系统
①为东风蓝鸟/风行混合动力轿车配套，至今已完成10万km道路试验。
②为一汽奔腾强混合动力轿车配套，已参与2008年奥运会示范运行，并将服务于今年达沃斯峰会。
大郡公司为东风、一汽配套双电机为皮带驱动起动发电机(BSG)和驱动电机(TM)。有两种：皮带驱动起动发电机持续功率为3kW，峰值功率为7kW，峰值扭矩为56Nm，最高转速为9000r/min，系统最高效率90%(5000r/min、15Nm)。驱动电机(牵引电机)持续功率为22kW，峰值功率为28kW，峰值扭矩为153Nm，最高转速为6000r/min，系统最高效率92%(3000r/min、60Nm)。
3. 纯电动/燃料电池车用驱动电机系统
已用于上海大众帕萨特领驭燃料电池轿车20辆用于奥运会示范运行。为东风混合动力越野车提供样机。大郡公司稀土永磁—磁阻同步电机持续功率为45kW，峰值功率为90kW，峰值扭矩为210Nm，最高转速为12000r/min，系统最高效率93%，系统高效区范围(效率＞85%)为84%。
4. 客车用大功率双电机系统，用于上汽申沃混合动力城市客车上。采用大郡公司稀土永磁—磁阻同步电机，电压范围280~420V，ISG电机持续功率20kW，峰值功率为30kW，峰值扭矩为300Nm，最高转速为3000r/min，系统最高效率92%，扭矩控制精度＜5%。驱动电机(牵引电机) 持续功率40kW，峰值功率为80kW，峰值扭矩为550Nm，最高转速为8000r/min，系统最高效率92%，扭矩控制精度＜5%。
目前大郡公司有驱动电机性能试验台和耐久试验台、可靠性试验台(高低温-40℃~150℃)、高低温交变湿热试验台和三维振动试验台，随着生产批量扩大，新添置的可靠性试验台可将驱动电机在工作状态下(加载、旋转)进行可靠性试验。
相关链接1：
大郡团队的创业历程：
•2002年10月，与武汉精伦电子公司合资成立上海鲍麦克斯电子科技有限公司，产品为工业缝纫机伺服电机系统产品；
•2003年4月，承担“十五”国家科技部863电动汽车重大专项；
•2005年9月，上海御能动力科技有限公司成立，从事工业伺服电机和电动汽车用电机系统的开发；
•2006年9月，对大郡公司进行增资改组，以汽车业务为主业。御能以工业伺服电机为主业；
•2006年12月，大郡公司承担国家“十一•五”863节能与新能源汽车重大项目，与一汽、东风、上汽、长安建立紧密合作关系；
•2008年9月，大郡公司配套驱动电机系统的长安、一汽、上汽等整车厂新能源汽车奥运示范车成功服务奥运；
•2009年4月，大郡公司承担国家863节能与新能源汽车重大项目《电动汽车用电机产业化课题》。
相关连接2：
电动汽车和混合动力汽车采用的电机类别
新能源汽车电机系统包括电机、电力电子控制器、数字控制软件、各类相关传感器(转子位置传感器、电流传感器、电压传感器、温度传感器等)。
电机大体上可以分以下几个类型。
直流电机采用碳刷来改变电机绕组的电流方向以产生输出力矩。因此直流电机的体积一般比较大，而且直流电机的电刷需要定期维护，可靠性不能满足汽车应用，所以在现代的新能源汽车上，直流电机的使用越来越少了，趋势是用交流电机。
交流电机当中，交流感应电机是一类得到广泛应用的电机，现在绝大部分在用的电机都是属于交流感应电机。交流感应电机优点是成本比较低，制造工艺非常成熟。电机本身的调速范围也比较宽，弱磁方面可以得到控制。但它的缺点在于体积一般比较大，而且效率偏低。
交流电机中另外一类就是开关磁阻电机，开关磁阻电机是基于磁阻力矩的原理，通过电力电子的换相来产生持续力矩一种比较新型的电机。开关磁阻电机的转子结构只有铁芯，因此它的结构是非常紧凑而结实的；其调速范围也比较宽。开关磁阻电机的最大缺点是噪声和振动，而且与永磁电机相比体积也偏大。
永磁电机是目前大家都热衷于采用的一种电机。它最大的特点是体积小、效率高。永磁电机分为两种，一种是表面式的永磁电机，常见的无刷直流电机多采用这种结构。这种电机调速范围比较窄，而且有力矩波动。另一种是永磁-磁阻同步电机，它兼具了永磁电机体积小，效率高的优势，也具有比较宽的恒功率调速范围，因此代表了电动汽车用电机的方向。尤其是在乘用车上。世界上先进的混合动力车的制造厂商包括丰田、本田、福特、通用等等都是采用这种技术。 |
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