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新能源汽车电机技术趋势:集成、高效、轻量、高性价比

2017-02-22 09:43:34     来源:电动汽车资源网        

【伟德betvictor官网 导读】永磁同步电机应用越来越多,电压等级不断提高,转速也越来越高。根据电动汽车资源网统计,在2017年第一批推荐目录中,有150款车型搭载了永磁同步电机,占比81%;搭载交流异步电机的车型有33款车型,占比18%;未知2款车型。

2016年10月14日科技部高新司发布《“新能源汽车”试点专项2017年度项目申报指南建议》,要求2017年重点项目,乘用车电机峰值功率密度≥4kW/kg(≥30秒),连续功率密度≥2.5kW/kg,电机最高效率≥96%,装车应用不低于25000台;商用车电机峰值转矩密度≥20Nm/kg(≥60秒),连续转矩密度≥11Nm/kg,电机最高效率≥96%,装车应用不低于5000台。因此,技术指标的提高,从而影响着驱动电机技术路线的方向,推动驱动电机相关技术的升级。

永磁同步电机成主流,是否是未来趋势?

据了解,永磁同步电机应用越来越多,电压等级不断提高,转速也越来越高。根据电动汽车资源网统计,在2017年第一批推荐目录中,有150款车型搭载了永磁同步电机,占比81%;搭载交流异步电机的车型有33款车型,占比18%;未知2款车型。

新能源汽车电机技术趋势:集成、高效、轻量、高性价比

由此可以看出,大部分车型选择永磁同步电机。虽然特斯拉采用的是异步电机,行业人士认为主要是出于成本因素和实际平均效率因素考虑,据悉,特斯拉Model 3将会采用永磁同步电机。可以说永磁同步电机将会是大势所趋!根据信息采集,目前国外知名的车企,如宝马的Active Hybrid与i3,丰田Pruis IV与Leaf,特斯拉Model 3,本田Civic Hybrid,雪佛兰Volt等都采用永磁同步电机。证券研究所的资料显示,如下表:

新能源汽车电机技术趋势:集成、高效、轻量、高性价比

从表格上看,开关磁阻电机的优势较为明显,开关磁阻电机结构和控制简单、出力大,可靠性高,成本低,起动制动性能好,运行效率高。但为什么其没有被广泛应用在电动汽车上?主要因素在于1.脉动因素而导致的成本增加;2.脉动转矩造成噪音;3.非线性严重。4.正在不断探索和开发中。

从表格中看出,永磁同步电机功率密度高,可靠性高,功率因数高,较高的转速范围,调速控制性能好,具有较宽的调速范围。永磁同步电机没有励磁损耗和散热问题,电机结构简单,体积比同功率的异步电机小15%以上。

而永磁同步电机比交流异步电机的优势在于:(1)效率高,更加省电;(2)功率因数高;(3)电机结构简单灵活;(4)可靠性高;(5)体积小,功率密度大;(6)起动力矩大、噪音小、温升低。

不过,永磁同步电机也有它的缺点,和直流电机相比,它没有直流电机的换向器和电刷等,需要更多维护,给应用带来不便的缺点。相对于异步电动机而言,永磁同步电机则比较简单,定子电流和定子电阻损耗减小,且转子参数可测、控制性能好,但存在最大转矩受永磁体去磁约束,抗震能力差,高转速受限制,功率较小,成本高和起动困难等缺点。

SiC第三代宽禁带功率器件成趋势

SiC应用于车用电驱动系统,其良好的高温(结温250℃以上)和高频特性(开关频率可达100kHz)有望为车用变流器带来革命性变化。《“新能源汽车”试点专项2017年度项目申报指南建议》资料显示,对SiC第三代宽禁带功率器有特别的要求,要求“宽禁带电力电子模块电流≥400A,电压≥750V;电机控制器峰值功率密度≥30kW/L,匹配电机额定功率40-80kW,最高效率≥98.5%;产品装车应用不低于1000套。”

功率器件有四大类,即逆变器、转换器(整流器)、直流斩波器DC/DC转换器、矩阵转换器。而功率器件最为重要的指标是损耗,如碳化硅功率模块与采用硅基IGBT的功率模块相比,可将开关损失降低85%。

目前,国内外bv1946伟德国际官网 材料主要有Si(硅)、碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、砷化镓(GaAS)、氧化锌(ZnO)、金刚石、氮化铝(AlN)等。以Si为代表的传统bv1946伟德国际官网 功率电子器件的发展已经接近材料的极限,在摩尔定律的规律下已经走过了50多年,不能满足器件应用不断发展的要求,寻找新的bv1946伟德国际官网 材料替代硅已经成了近些年bv1946伟德国际官网 发展的方向之一。而有着更高禁带宽度的第三代宽禁带bv1946伟德国际官网 材料开始逐渐走向研究与应用,最为前沿且成熟的技术就是SiC与GaN。

SiC肖特基二极管已经有10年以上历史,但SiC MOSFET、SiC JFET和SiC BJT近年才出现,GaN功率器件更是刚刚才在市场上出现。因此,相比而言,GaN要实现产业化还需要十几年时间,甚至更长时间,而SiC实现产业化近在咫尺。

新能源汽车电机技术趋势:集成、高效、轻量、高性价比

相对于Si而言,第三代bv1946伟德国际官网 材料SiC与CaN的优点更明显,主要优点如下:

(1)从上表格可以看出,SiC与CaN带隙都大于3.0eV,是Si的3倍左右。SiC与CaN器件禁带宽度大于Si,大大降低了器件的泄漏电流,使其具有抗辐照的特性。
(2)SiC与CaN的工作温度要大于Si,理论上SiC工作温度可达到600℃,在高温场合的优势明显。
(3)从表格可以看出,绝缘击穿场强度大,SiC击穿场强度达到2MV/cm及以上,CaN击穿场强度更高,为3.3MV/cm,是Si的十倍。这样大大提高了功率器件的耐压容量、工作频率及电流密度,同时也大大降低了器件的导通损耗。
(4)从表格可以看出,SiC还由于有较高的饱和迁移速度和较低的介电系数,是Si的2倍,使得SiC器件具有好的高频特性。
(5)从表格可以看出,SiC的热导性为4.5W/cm K,要高于Si的热导率,散热性较好,提高SiC功率器件的功率密度和集成度。

根据蓝皮书文摘,SiC器件应用将呈现如下趋势,一是提高开关频率和母线电压,一方面降低系统对电容、电感等无源器件的要求,另一方面允许电机转速增大,减小电机额定转矩,从而实现控制器成本的进一步压缩;二是,提高功率器件的结温,便于利用高温冷却液,或者应用风冷散热方法,在降低散热系统成本的同时,提升控制器功率密度;三是改进芯片特性使之接近理论极限并提高成品率,减小芯片成本;四是改进电磁兼容性能,对SiC器件引起的电磁干扰的产生机理和抑制方法进行深入研究。

驱动系统集成化成未来趋势

驱动电机的发展,越来越朝着低成本、轻量化、小型化、高效率、集成化方向发展。而集成化为小型轻量化、低成本与高效率的最快实现成为可能。通常驱动系统集成化包括两大类,按照蓝皮书的归类为机电集成与电力电子集成两类。

蓝皮书记载,机电集成主要包括电机与发动机总成或电机与变速箱的集成,其特点是通过高效/高速电机与高效传动的集成,以提升驱动系统效率、功率密度,以降低成本。电力电子集成方面,主要基于ICBT器件、电容、高效散热技术(如双面冷却)的高功率密度电力电子集成技术,以实现车载电力电子系统的功率密度倍增,降低成本;电机控制器与车载充电机有机拓补集成,可实现大功率快速充电。同时,以数字控制为基础,功能安全设计为目标、电磁兼容为约束的高可靠性、多拓补组合的车载电力电子集成技术,向着满足ISO26262的汽车工业产品安全设计的方向发展。

随着电机技术与控制技术的不断升级,轮毂电机也广泛应用在电动汽车上。轮毂电机很早就被应用在汽车上,如日本TEPCO公司1991年上市的IZA纯电动汽车采用轮毂电机四轮驱动。轮毂电机通过把电机集成在轮毂内,高度集成化,其布置方便、动力控制灵活、易于实现制动和能量回收、能够节省车身控制、车身设计自由度高、简化传动系统等优势,将是驱动系统发展的一个重要方向。

而随着电子技术的发展,DSP电动机控制芯片日益成熟,基于CAN总线的全数字控制系统成为电动汽车控制系统硬件组成的重要模式,电机控制系统集成技术也不断成熟。而驱动电机控制系统将会朝着小型化、轻量化、易于产业化、高容量、高效节能、响应迅速、调速性能好、可靠性高等发展。

总体而言,电动汽车电机技术未来将会重点发展永磁轮毂电机和开关磁阻电动机,尤其是永磁轮毂电机,并且结合第三代宽禁带功率器件和电控系统同步发展。未来电动汽车电机将会朝着高效化、小型化、轻量化、集成化发展,价格更低,性能更高!
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