理论教育 电动汽车电驱动系统发展现状

电动汽车电驱动系统发展现状

时间:2023-10-06 理论教育 版权反馈
【摘要】:同时日本在电驱动系统集成化研究方面,尤其是混合动力总体驱动技术方面取得了显著的成效。表1-1所示为日本几款电动汽车电驱动系统的主要指标。但轮毂电机驱动系统会使车轮质量过大,会对整车动力性能造成影响。国内电驱动系统的可靠性及耐久性尚未得到充分验证,和汽车行业的严格要求还有一定差距。

电动汽车电驱动系统发展现状

从全球范围看,有刷直流电机、感应电机与有刷磁铁电机商品化历史最长,产品更新换代不断,迄今还在应用。20世纪80年代开始进入商品化的表面永磁同步电机与90年代以来研制开发的开关磁阻电机、内置式永磁同步电机以及最新的同步磁阻电机相继进入市场,并在电动汽车与混合动力汽车上获得应用。

1.日本

日本相关企业和研究机构主要开发混合动力汽车,近几年来在批量生产的日本电动汽车车型上以采用永磁同步电机驱动系统为主流。其主要优点是其效率比交流感应电机高,体积较小,但价格较贵。同时日本在电驱动系统集成化研究方面,尤其是混合动力总体驱动技术方面取得了显著的成效。表1-1所示为日本几款电动汽车电驱动系统的主要指标。

表1-1 日本几款电动汽车电驱动系统的主要指标

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(续)

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在电驱动系统结构上,丰田公司将行星轮变速机构、电动机发电机以及发动机进行了一体化结构设计,在有限的空间内完成了整个系统的设计与制造。图1-6所示为其集成设计的一体化驱动电机系统。该系统包括了一个电动机,一个发电机,一套行星轮耦合机构以及机械差速器

在控制系统设计上,丰田公司将驱动电动机控制器和发电机控制器进行了整合设计,采用了共母线技术,如图1-7所示。同时,为了提供整车电能的利用率,该系统集成了可根据需要将电动机和发电机的电源电压进行无级升压的设备,可由一般情况下的直流201.6V最大升至直流650V。这意味着小电流可提供大的电力供给,发挥高输出电动机的性能,提供系统整体的效率。为了能够为整车进行可靠的低压供电,该系统中同时集成了一个将HV蓄电池和发电机发出的201.6V直流降压至12V的DC-DC系统,以作为车辆的辅助设备、电子部件的电源使用。

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图1-6 普锐斯轿车所用集成化电机与减速器驱动系统

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图1-7 丰田公司驱动电动机控制器和发电机控制器的整合设计

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图1-8 米其林公司的主动轮技术

2.欧美

近年来欧美等国家开发的电动汽车多采用交流感应电机作为驱动系统。其主要优点是价格较低,性能可靠;其缺点是起动转矩小,运行效率较低。同时欧美电动汽车在轮毂电驱动、集成化电驱动等方面也进行了卓有成效的设计研究工作。

米其林公司研发的将轮毂电机和电子主动悬架等都整合到轮内的主动轮技术如图1-8所示。该技术使得动力传动链大大缩短,也使得电动汽车的设计变得更加简单。2008年巴黎车展上,首度展出的Venturi Volage跑车即采用了米其林公司的主动轮系统。其主动轮额定功率为30kW,最大功率为60kW,总质量为7kg。由车辆电子器件制造商Heuliez、米其林轮胎和通信服务商Orange合作开发而成的WILL汽车是另外一款安装主动轮的车型。该车是一部能够和传统汽车相媲美的电动汽车,既可以作为轿车使用,也可作为多功能运载车使用。该车0~100km/h的加速时间为12s,续驶里程为150~400km,最高车速为140km/h。

车轮独立驱动的优点是传动系统简单,布置方便;由于每个电机可以单独控制,能实现车轮驱动力的单独调节和横摆力矩的控制,容易实现车辆底盘系统的电子控制,改善车辆驱动性能和行驶性能。但轮毂电机驱动系统会使车轮质量过大,会对整车动力性能造成影响。另外还可能带来其他问题,如电机散热、防水、防尘难度大等。(www.daowen.com)

3.中国

目前我国电动汽车电驱动系统生产企业有30多家,但多数企业规模小,实力还较弱。电驱动系统是新兴的电传动行业的一个分支。新兴的高新技术企业是这一行业的主力军之一,它们一般依托于高校或者科研院所,具有较强的技术水平,但由于成立不久,这些企业大多实力较弱,融资渠道单一,生产能力不强。除了新成立的高新企业外,我国有相当一部分电驱动系统企业是由传统电机制造商转型而来。我国拥有数量庞大的电机企业,其中很多企业拥有成熟的技术工人、较好的制造能力和一定的研发能力。

我国人力资源丰富,具有丰富的稀土资源,为电机业的发展提供了很好的环境。我国车用电机在全球资源条件下具有明显的优势,较易进入全球分工体系,如果引导得力,我国电驱动系统完全可以发展成具有中国特色的优势产业。但从行业现状看,这种资源优势还并未充分发挥出来。

在国家“863计划”项目的支持和推动下,我国车用驱动电机技术进步较快。目前,比较常见的是永磁电机和异步电机。部分企业、研究单位和高校还对一些新原理的电机系统,如基于双机械端口电机的电力无级变速系统(EVT)、混合励磁电机系统等进行了探索。我国在一些驱动电机共性基础技术上,如满足各种整车封装需求的电机转子位置传感器绝缘材料和永磁材料技术取得了突破,并在已经上路的电动汽车上得到了良好应用。

虽然我国电驱动系统新技术层出不穷,在某些关键技术上也取得了突破,但总体而言,我国电驱动系统产业化进程较慢,做出样机的企业较多,有的也进行了台架试验和装车,但能够实现批量供货的企业较少。

我国是电机制造及应用大国,有较好的工业基础。但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电动汽车需求的专用电机。

自国家“863电动汽车重大专项”实施以来,经过十多年的发展,电动汽车用电机系统研究进步较大,我国电驱动系统的基本功能和性能已接近国际先进水平,但产品对汽车使用环境的适应性不足,产业化之路还存在较多瓶颈。

国内电驱动系统的可靠性及耐久性尚未得到充分验证,和汽车行业的严格要求还有一定差距。由于我国新能源汽车在示范运行阶段,产量不大,因此造成了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与国外自动生产线大批量生产相比,其生产的产品一致性差,从而导致可靠性差。目前国内部分厂商也已经开发了集成度相对较高的一体化控制系统。与国外公司相比,我国电驱动系统主要存在以下差距:

1)机电一体化集成度不够。目前国外公司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。我国则受制于变速器的工业设计和制造能力,进展比较缓慢,尤其没有合适的速比可达10∶1的电机减速器产品。

2)国外公司利用其整车制造能力,改进传统电机和电力电子产品的制造能力。如丰田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。

3)国外公司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。如在丰田公司第二代的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。这样一方面把电机的母线电压从300V逐步提升到了500V,甚至到了650V,从而大大提升了电机系统的输出功率;另一方面解决了蓄电池电压的提升,势必增加单体电池串联的个数,从而有可能降低蓄电池系统可靠性的问题。虽然我国部分电驱动厂商具备了小批量供货的能力,但通过TS16949质量体系标准认证的还极少。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。

为了能够加快国内电驱动系统的发展,2015年发布的《<中国制造2025>重点领域技术路线图》中明确表示:2020年,初步建成以市场为导向、企业为主体、产学研用紧密结合的新能源汽车产业体系;自主新能源汽车年销量突破100万辆,市场份额达到70%以上;打造明星车型,进入全球销量排名前10,新能源客车实现规模化出口,整车平均故障间隔里程达到2万km;动力电池、驱动电机等关键系统达到国际先进水平,国内市场占有率达到80%。同时要求重点推进电机、电池、逆变器等关键核心零部件自主化,满足新能源汽车产业的发展需求。驱动电机自主研发与商品化能力达到国际先进水平,乘用车驱动电机20s有效比功率不低于4kW/kg,商用车30s有效比扭矩不低于19N·m/kg;电机控制器实现功率密度不低于25kW/L,综合性能达到国际先进水平,自主率达到60%以上。国家政策不断细化(表1-2),国内电机企业将面临更好的发展机遇。

表1-2 新能源汽车政策扶持

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2015年是新能源汽车推广的收官之年,也是《节能与新能源汽车产业发展规划2012—2020》原定的50万辆目标的截止年。在这一年,国家与地方政府出台了减免新能源车船购置税、开放电动乘用车准入等多项补贴标准和政策鼓励新能源汽车的发展。

2016年是“十三五”的开局之年,自2016年起,中国新能源汽车产业将由起步阶段进入加速阶段。一直以来,国家和地方政府的支持政策都对新能源汽车的发展发挥着重要作用。关于新能源汽车“十三五”期间的发展,国家和部分地方政府已发布相关政策。

据统计,截至2016年6月,国家共出台新能源汽车相关政策30项,其中推广政策出台7项,行业规范政策出台8项,充电基础设施政策出台4项,企业目录相关政策出台5项,行业管理相关政策出台6项。

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