車用電機驅動系統技術和產業蓄勢待發

    中科院電工研究所研究員 溫旭輝

    汽車要求電機驅動系統有更高的性能，更高的體積重量比密度，更高的耐受環境溫度範圍，並且能經受高強度的振動以及更低成本等。為滿足以上嚴格甚至苛刻的要求，車用電機驅動系統技術的發展趨勢基本可以歸納為永磁化、數位化和集成化。

    電動汽車用電機驅動系統不同於普通的風機、水泵等工業應用。受到車輛空間限制和使用環境的約束，汽車要求電機驅動系統有更高的性能，體積重量比密度更高，耐受環境溫度範圍更高(冷卻液入口溫度>105℃)，能經受高強度的振動以及成本更低等。為滿足以上嚴格甚至苛刻的要求，車用電機驅動系統技術的發展趨勢基本可以歸納為永磁化、數位化和集成化。

    永磁化提供高效率

    永磁電機具有效率高、比功率大、功率因數高、可靠性高和便於維護等優點，採用矢量控制的變頻調速系統，可使永磁電動機具有寬廣的調速範圍，因此，以豐田汽車和本田汽車為代表的國際化製造商以及國內一汽、東風、長安、奇瑞等廠商均在其電動汽車中採用了永磁電機方案，推動了車用電機向永磁化方向發展。

    永磁電機的主要材料、部件是釹鐵硼磁鋼、電工鋼和高速軸承。進入21世紀以來，我國磁性材料產業年增長率超過20%。據初步統計，2004年燒結釹鐵硼永磁達到27510噸(占全球總量的81%)，黏結釹鐵硼永磁達到1350噸(占全球總量的35%)。作為製造電機鐵芯的材料，電工鋼帶是使用最普遍的重要磁性材料，是車用電機高效、高功率密度的保障，其成本占到了電機本體成本的20%左右。據報導日本住友電工生產的0.27mm厚電工鋼帶已用在混合動力驅動電機上，我國寶鋼集團在「863」課題支持下，從2008年起開展了電動汽車驅動電機用電工鋼帶研發，我國車用驅動電機系統可望在近期採用國產的高效電工鋼帶。另外，要保證電動汽車歷經20餘萬公里、經受嚴寒酷暑仍然可以運行，車用電機高速軸承仍需要投入開發，目前我國所研製的車用驅動系統大多採用進口的高速軸承。

    逆變器數位化是趨勢

    在電動汽車中，由燃料電池或蓄電池提供的直流電能，通過一個或多個逆變器將其轉換成交流電能驅動永磁電機運動，其中車用電機驅動控制器由逆變器和電機的控制電路構成。到目前為止，由於電動汽車的直流電壓大多低於600V，逆變器都採用三相兩電平結構和1200V以下的IGBT模塊，其中逆變器的核心器件IGBT和電容的成本占到了電機驅動控制器成本的50%以上。在混合動力汽車應用中，為了簡化冷卻系統、降低整車成本，對車用電機驅動系統提出了冷卻液入口溫度大於105℃的要求，這個要求除提高了電機絕緣等級和釹鐵硼磁鋼的等級外，市場上廣泛使用的150℃結溫IGBT不能滿足要求，需要使用175℃結溫IGBT，並仔細設計高換熱效率的散熱器系統。

    逆變器控制系統數位化也是未來電機驅動技術發展的必然趨勢。數位化不僅包括驅動控制的數位化、驅動到數控系統接口的數位化，而且還應該包括測量單元數位化。隨著微電子學及計算機技術的發展，高速、高集成度、低成本的專用晶片以及數位訊號處理器(DSP)等的問世及商品化，使全數字的控制系統成為可能。用軟體最大限度地代替硬體，除完成要求的控制功能外，還應該具有保護、故障監控、自診斷等其他功能。
    系統集成化降低成本

    電機驅動系統的集成化包括兩個方面：1.機電集成。其一是車用電機與發動機集成構成混合動力發動機總成，如本田的ISA系統；其二將車用電機與變速箱集成，如豐田混合動力系統THS。總之，車用電機與汽車發動機或變速箱集成的方向發展有利於減小整個系統的重量和體積，有效降低系統製造成本。2.將電動汽車驅動控制器的開關器件、電路、控制、傳感器、電源和無源器件都集成到標準的模塊中構成電力電子組件，這種集成方法可以較好地解決不同工藝的電路之間的組合和高電壓隔離等問題，具有較高的集成度，也可以比較有效地減小體積和重量，但目前還存在分布參數、電磁兼容、傳熱等具有較高難度的技術問題，並且尚不能有效地降低成本，達到更高的可靠性。

    從上世紀90年代以來，我國車用電機驅動系統的研發就得到了來自政府各方面的重視和支持，通過在電動汽車中的應用，驗證了技術、鍛鍊了隊伍。1999年末，中科院電工所、華中科技大學和哈爾濱工業大學分別研發出全數位化矢量控制的車用交流異步電機驅動系統和開關磁阻驅動系統，其技術水平達到了當時國際先進水平。進入「十五」以後，國家和企業投入進一步加大，車用電機的發展快速從技術研究向產品開發方向發展，湧現出上海電驅動有限公司，株洲南車時代電動汽車股份有限公司等專業研發生產車用電機驅動系統的產業化公司，上海電驅動有限公司還與寶山鋼鐵廠、寧波韻升高科磁業有限公司等關鍵材料部件生產廠商密切合作，形成了有利於提高產品品質、降低成本的產業鏈。在功率半導體方面，除Infineon、Semikron和三菱這樣的國際功率半導體晶片和封裝廠商一如既往地積極開拓中國市場外，嘉興斯達半導體有限公司和江蘇常州宏微科技有限公司等我國本土功率半導體生產廠商也開始投入車用驅動模塊的研發。因此，我們有理由相信，利用我國在稀土材料、電機和電力電子製造等方面的優勢，車用電機驅動系統技術和產業的發展將成為我國電動汽車推廣的強大驅動力之一。

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