驱动电机发展概况

2009年3月20日,国家发布了《汽车产业调整的振兴规划》,提出了新能源汽车发展规划战略。此后,国家发布一系列政策,支持、鼓励、促进新能源汽车发展。

在相关政策的激励和促进下,我国电动汽车得到了快速的发展。中国汽车工业协会统计的数据显示,2016年,中国新能源汽车(包括乘用车和商用车)生产51.7万辆,销售50.7万辆,比上年同期分别增长51.7%和53%,同时中国新能源汽车销量超过美国,成为全球第一。

 随着电动汽车的快速发展,电动汽车的核心组件“大三电”和“小三电”技术均得到快速发展。大三电包括 电机(电机及变速箱系统)、电控(整车控制器、电机驱动器;动力电池管理器(BMS)等)、电池(电芯、模组、PACK系统),小三电包括车载充电机、DC/DC、高压配电盒。

2016年整个新能源汽车驱动电机的装机量高达59.5万台,与新能源汽车产量近似。从电机类型看,永磁同步电机是主流,装机量超过45万台,占比高达76%;交流异步电机装机量超过14万台,占比23%;其次还有混合励磁同步电机、无刷/永磁直流电机、开关磁阻电机装机量近2000台,占比仅1%。

汽车产品分布中有少量搭载2台以上驱动电机的车型。史瑞祥表示,新能源汽车的发展趋势,是由集中驱动向分布式发展。分布式驱动从轮边电机,发展到轮毂电机,布置非常方便,效率大大提高。

史瑞祥总结了驱动电机的生产企业主要的三种形式,有汽车整车生产企业(比亚迪等)、传统工业电机生产企业转型(大洋电机等)、专业的驱动电机生产企业(北京精进等)。电机驱动技术相对比较简单,但电机系统等于控制器加传统工业电机构成的观点肯定是错误的。工业电机与车用电机对比如下:

情况非常复杂,复杂的工况要求驱动电机有宽广的恒扭矩恒功率范围;第二,起动扭矩大,过载能力强,满足汽车的加速、超车、爬坡等要求;第三,效率高,高效区广,提高车辆的续驶里程;第四,功率密度大、体积小、重量轻,有利于整车的轻量化和小型化,方便布置;第五,环境适应性强和高可靠性,适应恶劣环境;第六,能量回馈效率高,充分回收制动产生的电能,“再生能量回馈”功能做得好的话,对提高续航里程也有一定帮助。

目前常用的电机有交流异步电机、开关磁阻电机、永磁同步电机。对比发现,永磁同步电机可靠性比较好,重量轻,唯一的缺点就是成本相对比较高。交流异步电机高速性能比较优越,运行效率比永磁同步电机低。我国具有世界最为丰富的稀土资源,有着永磁同步电机发展得天独厚的条件。根据2017年的1-6月工信部新车公告的数据来看,同步电机占比还有提高的趋势。

史瑞祥表示,驱动电机系统发展趋势,第一是向永磁化方向发展。由于受到车辆空间等限制,驱动电机系统除了要求高性能外,体积与重量密度的需求性更高,故永磁电机所带来的高效能及高功率密度优于其他种类电机。第二是向高集成度、小型化、轻量化的方向发展。例如国内有些企业将DC/DC、车载充电机、整车控制器集成在一起,电机控制器及驱动电机集成在一起。

驱动电机系统标准法规

目前驱动电机测试标准不是很多,GB/T 18488是国家强制性检验标准。GB/T 29307检测驱动电机可靠性,或者叫耐久性检验方法。昨天的沙龙环节,有企业提出了永磁同步电机退磁的问题,实际上GB/T 29307台架测试时间比较短,退磁不明显,而且在台架测试时,工况是固定的,而退磁的主要原因是高温环境影响,和路况以及驾驶习惯是有关系的。

从国外的标准情况来看,有关驱动电机系统标准也并不多,C-TRIAS_99是日本的标准,要求最大功率和额定功率温升的测试方法,UL1004-1是旋转电机标准,IEC 69785 电动道路车辆用旋转电机(国际电工委员会),ECE R85 用于驱动 M 类和N 类汽车的内燃机净功率或电力驱动机构。

从强制性标准检验项目来看,只有美国是非强制的。从设置项目来看,中国设置二十多项标准,包括电机的性能、温升、保护功能、温度、湿热等试验,比较全面,对整车和企业技术开发有很好的指导作用。美国标准有三十多项,主要侧重点在安全保护和环境适应性等方面。欧洲和日本的标准要求项目比较少。

标准检验项目包括性能检测、电气安全、环境适应性、可靠性、电磁兼容。性能检测方面,包括转矩-转速特性(MAP图)、温升、堵转、控制精度等。电气安全包括安全接地、控制器保护功能、支撑电容放电时间。环境适应性方面,包括高低温、湿热、盐雾、防水防尘、振动。可靠性方面,要求402h考核电气可靠性和机械可靠性,暂时未强制要求。电磁兼容,主要检测电磁辐射骚扰及抗扰性,由于其检测成本较高,暂时未强制要求。

驱动电机系统试验检测

驱动电机测试系统主要由测功机、直流电源、数据采集三个部分构成。第一部分测功机部分主要是测量驱动电机输出的扭矩、转速、功率等参数;第二部分直流电源主要是模拟动力电池给驱动电机及控制器提供直流电源和再生能量回馈时能量回收;第三部分参数采集部分主要是采集输入控制器的直流电压、直流电流、功率,还有控制器输入的三相电压、电流、交流部分总功率、频率等。

目前在行业内测试台架的方案主要有三种:电涡流测功机、电力测功机、对拖测试系统。电涡流测功机方案的缺点是不能驱动只能加载,无法进行再生能源回馈,优点是价格比较低廉。对拖测试系统方案价格同样较低,但技术技术难度较高,一般是具有控制器开发和操控能力的企业在使用,是目前驱动电机企业使用较为广泛的一种测试方式。电力测功机方案精度高,可靠性好,但价格昂贵,主要是检测机构及大型驱动电机生产企业在使用。

 检测中容易出现的问题,是企业比较关心的问题。标准要求型式检验应从出厂检验合格的产品中抽取,标准明确要求送样数量为3套,其中两套供型式检验,另1套保存备用,3套样品中有两套完全符合要求才算是合格。检验周期方面,公告对检验周期没有要求,正常生产两年应进行一次复核,但公告没有要求,公告不受到影响。电机及控制器铭牌要求是有明确要求,企业如果不注意,可能就会有缺项。电机型号命名要求,公告检验未做强制要求。

MAP图方面,无论是电动状态或者驱动状态MAP图测试测试点的选择很重要,在整个工作转速范围内一般取不少于10个转速点,在每个转速点上取不少于10个转矩点,对于高速状态转矩点可以减少,但不低于5个转矩点。包含额定转速、持续扭矩特征点。测试点要均为分布不少于100个点。

盐雾实验要求电机和控制器进行盐雾试验48h后,恢复(1-2)h,几乎都能达到要求。但有的通电检查电机及控制器,会发生控制器打火或者电机冒烟、锈蚀等情况,这是由于密封(尤其是线缆孔和插接件的部位)和表面防锈处理达不到要求,导致电机和控制器腐蚀或损坏绝缘。

防护等级方面,标准要求防护等级满足IP44或者更高等级的防护要求即可。但是在2017年1月发布实施的《电动客车安全技术条件》中要求安装在客舱地板以下且距地面500mm以下的B级电压电气设备防护等级不低于IP67。目前大部分驱动电机位于客舱地板以下且距地面500mm以下,需要进行IP67的防护等级试验。经常出现电机和控制器在防护等级试验后,通电检查不能继续使用情况,这是由于密封达不到要求,导致电机和控制器进水进尘绝缘损坏。

耐振动试验(正弦振动和随机振动)中,经常出现一个问题,振动使电路板上引脚或元器件损坏,导致振动后电机或者控制器无法工作,电机绕组串动、绝缘损坏、铁芯松散。这说明控制器焊接技术需要提高,电机装配技术需要提高。

可靠性试验方面,耐久试验中由于电应力、热应力、机械应力,存在永磁体性能下降,电机绕组绝缘老化,电机轴承出现磨损等情况。控制器由于电应力,有IGBT击穿等情况。

EMC测试方面,标准中电磁辐射骚扰和电磁辐射抗扰性项目要求是驱动电机系统在运行中所产生的电磁辐射骚扰应符合产品技术文件规定。驱动电机系统在运行中规定较为宽泛,由于目前国内电磁兼容设备水平所限,大部分驱动电机电磁兼容项目是在空载下测试完成。实际情况不同带载情况的电磁兼容测试结果差异较大。空载的测试结果不能准确反映车辆运行过程中电磁兼容情况。相关的标准也在制定中。

可靠性测试(GB/T 29307-2012)方面,该标准可靠性试验方式没有区分混合动力、纯电动等具体使用工况进行针对性的可靠性考核,统一采用同一种工况。因此,在此后标准修订的时,可能会考虑到各种工况针对性的可靠性测试。