电动汽车驱动电机系统的发展现状及发展趋势

  我国从20 世纪80 年代开始，伴随着电动汽车产业的发展，国内外有大量的研究机构和公司进行电动汽车驱动电机系统的研究开发。通过多年的发展，国内外驱动电机系统的技术均取得了明显进步。

  国外从20 世纪80 年代开始做驱动电机系统的研究，目前已构建了较为完善的驱动电机系统开发体系和生产制造体系，开发出一系列具有较强的竞争力的驱动电机系统产品。

  我国是从20 世纪90 年代开始做驱动电机系统研究的，特别是从2001 年起，科技部开始实施“十五”至“十三五”连续四个五年计划的电动汽车重大专项计划，加上国家发展改革委、财政部、工信部等部委的各种政策支持，我国电动汽车产销量已连续几年居于世界首位，占全球产销量的50%以上。

  伴随着电动汽车的加快速度进行发展，我国驱动电机系统技术及其产业化得到了长足的进步，具体体现在：

  (2)开发出功率(峰值功率)等级10～250kW 的风冷和水冷用异步驱动电机系统和永磁同步驱动电机系统，批量应用于纯电动及混合动力商用车、乘用车和物流车。其中部分产品批量出口欧美国家。

  (3)电机的功率密度、最高效率和最高转速等主要性能指标与国外产品相当。表1-6为目前已实现的“十二五”国家科技支撑计划规定的驱动电机系统的主要指标。表1-7为“十三五”国家重点研发计划规定的驱动电机的主要指标。

  (6)电机和控制器主要材料及零部件实现国产化，一直是发展瓶颈的关键材料和元器件的IGBT 芯片、IGBT 模块、SiC 芯片和模块、控制芯片以及轴承等均有替代产品并得到部分批量应用。

  尽管经过多年的技术攻关和市场应用，驱动电机系统技术取得了很大进步，基本能满足目前电动汽车的应用需求，但距用户对未来零部件性能的要求仍有较大的差距。驱动电机系统的发展目标是逐步提升“6H1L”所涉及的内容。

  为达到以上描述的目标，各国均提出了具体的目标，典型的有美国能源部所提出的《2025年电机电控发展路线图》和中国汽车工程学会于2020 年发布的《节能与新能源汽车技术路线 年电机电控发展路线kW 功率等级的驱动电机系统所提出的关键技术指标。

  ：由于永磁驱动电机具有效率高、功率密度高等先天优势，随着永磁驱动电机设计制造技术及控制技术的日臻完善，永磁驱动电机将成为驱动电机的主流。

  ：正如第三章将要描述的，提升电机的转速是提升功率密度和减少相关成本较为显著的方法。

  ：集成化是指对电机、控制器及物理运动系统，甚至是电气系统等进行不同程度的集成，通过集成能够更好的降低整个驱动电机系统的质量、体积、成本。第二章将对集成技术进行阐述。

  ：数字化主要指控制管理系统的数字化，包含硬件与软件两方面。硬件数字化指通过采用高速、高集成度、低成本的专用芯片，使控制电路更为小型化、集成化；软件数字化则体现在电机控制算法(通过采用高性能的转矩转速控制和在线辨识、可靠的故障监控和系统保护、自动适应恶劣工况的变化的控制管理系统，提升控制系统的稳定性和自适应性等)和具有完善的可靠性测试和高安全性的软件架构上。

  ：通过驱动电机系统的平台化和模块化，可以缩短开发周期并降低驱动电机系统的成本。

  础理论的研究：经过一百多年的发展，电机，包括驱动电机的基础理论和工程实践已非常完善，经过近60 年的发展，控制器和控制理论也日趋完善，“可发展性”潜力有限。尽管如此，这些基础理论依旧是驱动电机系统模块设计和研究的基础。

  计方法的研究：同样经过长期的发展，尤其是设计软件的多样化及功能的日趋完善，为驱动电机系统的设计提供了非常便利的条件。但驱动电机系统是一个多学科融合的系统，涉及机械、功率电子、微电子和材料等学科。因此在掌握这些软件的同时，知晓单独的电机、控制器和控制策略的设计的基本要求及设计流程是产品设计的基础，熟悉驱动电机系统之间以及与“关联对象”的相互影响，是设计出“系统最优”的驱动电机系统的前提。另外，不断的提高的转矩密度、功率密度和成本等要求使得设计不断超越以往经验的极限，驱动电机系统的材料利用已达到极限，其内部的电磁场、应力场、温度场和流体场相互耦合和相互影响，因此进行多物理场的耦合设计是设计方法的最高境界。

  ：应该说，每一次电机和控制器的技术进步均是依托材料和元器件的进步而发展的。电机和控制器新的应用需求也对材料和元器件的性能提出了更加高的要求，促进其持续不断的发展。对于驱动电机系统设计者，首要的任务是了解现有材料和元器件的特点和性能，选择正真适合的材料和元器件。

  包括控制器的主电路、永磁电机的磁路结构和绕组结构、新型电机结构(如记忆电机、变磁通电机、多相电机、容错电机、混合励磁电机等)。严格意义上讲，由于电机和控制器理论的完善，驱动电机系统不存在新的拓扑结构，但根据电动汽车特定的运行场景，选择正真适合的“拓扑结构”，将该“拓扑结构”用到极致，则是研究者追求的目标。

  基于矢量控制或者直接转矩控制的驱动电机控制策略已较为完善，但电动汽车“高效、高动态稳定性”的应用特点向电机控制器策略提出了新的研究需求。

  目前针对驱动电机系统可靠性的理论和实践尚不成熟，除了按照《汽车行业质量管理体系 汽车生产件及相关服务件应用ISO 9001:2015 的特别要求》(IATF 16949:2016)对驱动电机系统的开发、生产、试验等方面做管理，并按照相应的质量控制工具开展相关工作外，开展驱动系统环境适应性、电磁兼容性、试验验证技术和批量制造技术等方面的研究，是提升驱动电机系统可靠性的重要手段。开展“材料-部件-整机-系统”分层分级的耐久性和寿命预测与研究，是预测驱动电机系统寿命和可维护性的重要基础工作。

  作为车载高压电气设备，安全性是驱动电机系统的红线。安全性包括侧重于“硬件”的高压安全和侧重于“软件”的功能安全软件构架。

  作为车载设备，驱动电机系统的振动噪声是影响司乘人员舒适性的重要指标，目前，驱动电机振动噪声研究是最薄弱的环节，包括机理、噪声预测、噪声测量评价方法和噪声抑制手段等。振动噪声的产生机理很复杂，大多数表现在：振动不仅与电机本体有关，还与整车的机械耦合关系、物理运动系统的耦合关系、控制器的输出谐波等紧密关联，驱动电机-减速箱-电机控制器“三合一”的集成更是给噪声研究提出了新的挑战。这些均为下一阶段驱动电机系统的研究提出了新的课题。

  驱动电机系统的成本直接影响电动汽车的推广应用。但成本技术是一个复杂的问题，贯穿于驱动电机系统的需求评估、设计、生产、试验和运用等全生命周期，涉及设计、生产制造、供应链、试验和维护等多方面的技术。在满足总体要求前提下，降低材料用量、采用合适的材料、采用适合批量生产的设计技术、模块化、系列化等均是减少相关成本的有效手段。但必须指出，“6H1L”的终极目标是一个“多目标”系统，有些目标是相互制约的，如为了更好的提高效率一定要采用价格较贵的材料，这与低成本是矛盾的。同时达到多个目标最优，即多目标问题的绝对最优解是不存在的。驱动电机系统设计者的任务是根据不同的车型、不同的应用场景，考虑各种指标的相互制约因素，对每个目标取合适的加权系数和优先级，选择正真适合的技术实现路径，在保证可靠性和安全性的前提下，开发出满足需求的“性价比”最优的驱动电机系统。

  为促进驱动电机系统性能指标的逐步提升与有关设计、控制、试验和运用理论的进一步完善，

  （郭淑英等著. —北京：科学出版社，2023.1）一书特将中车株洲电力机车研究所有限公司驱动电机系统研究团队二十年的研究实践和科研成果进行整理和总结。全书共12 章，涉及驱动电机系统、驱动电机和电机控制器的发展现状、理论、设计、试验和运行维护。本书内容丰富，全方位地介绍驱动电机系统和驱动电机、电机控制器的理论和设计流程，既有理论基础又有工程实践，可供从事驱动电机系统、驱动电机和电机控制器研究、设计、试验、运行和维护的工程技术人员作为工具书使用，也可供高等院校驱动电机系统专业及汽车专业的师生作为参考书使用。期待本书的出版能对我国驱动电机系统的发展做出贡献。本文摘编自《电动汽车驱动电机系统》（郭淑英等著. —北京：科学出版社，2023.1）一书“第一章 绪论”“前言”，有删减修改，标题为编者所加。

  本书详细的介绍了电动汽车驱动电机系统的工作原理、构成及构型，描述了驱动电机系统与车辆等关联对象的耦合关系；对常用的异步驱动电机系统、永磁同步驱动电机系统的工作特点、设计办法来进行了阐述；针对性地分析了驱动电机系统模块设计中需关注的热管理问题、电磁兼容问题、功能安全问题等；对驱动电机系统的试验检测、安装维护、运输贮存等进行了介绍；对适用于驱动电机系统的有关标准进行了分析解读。本书可供从事新能源汽车研发及试验检测的工程技术人员阅读，也可供高校师生教学参考。