驅(qū)動電機發(fā)展概況

       2009年3月20日,國家發(fā)布了《汽車產(chǎn)業(yè)調(diào)整的振興規(guī)劃》,提出了新能源汽車發(fā)展規(guī)劃戰(zhàn)略。此后,國家發(fā)布一系列政策,支持、鼓勵、促進新能源汽車發(fā)展。

在相關(guān)政策的激勵和促進下,我國電動汽車得到了快速的發(fā)展。中國汽車工業(yè)協(xié)會統(tǒng)計的數(shù)據(jù)顯示,2016年,中國新能源汽車(包括乘用車和商用車)生產(chǎn)51.7萬輛,銷售50.7萬輛,比上年同期分別增長51.7%和53%,同時中國新能源汽車銷量超過美國,成為全球第一。

 隨著電動汽車的快速發(fā)展,電動汽車的核心組件“大三電”和“小三電”技術(shù)均得到快速發(fā)展。大三電包括 電機(電機及變速箱系統(tǒng))、電控(整車控制器、電機驅(qū)動器;動力電池管理器(BMS)等)、電池(電芯、模組、PACK系統(tǒng)),小三電包括車載充電機、DC/DC、高壓配電盒。

2016年整個新能源汽車驅(qū)動電機的裝機量高達59.5萬臺,與新能源汽車產(chǎn)量近似。從電機類型看,永磁同步電機是主流,裝機量超過45萬臺,占比高達76%;交流異步電機裝機量超過14萬臺,占比23%;其次還有混合勵磁同步電機、無刷/永磁直流電機、開關(guān)磁阻電機裝機量近2000臺,占比僅1%。

       汽車產(chǎn)品分布中有少量搭載2臺以上驅(qū)動電機的車型。史瑞祥表示,新能源汽車的發(fā)展趨勢,是由集中驅(qū)動向分布式發(fā)展。分布式驅(qū)動從輪邊電機,發(fā)展到輪轂電機,布置非常方便,效率大大提高。

史瑞祥總結(jié)了驅(qū)動電機的生產(chǎn)企業(yè)主要的三種形式,有汽車整車生產(chǎn)企業(yè)(比亞迪等)、傳統(tǒng)工業(yè)電機生產(chǎn)企業(yè)轉(zhuǎn)型(大洋電機等)、專業(yè)的驅(qū)動電機生產(chǎn)企業(yè)(北京精進等)。電機驅(qū)動技術(shù)相對比較簡單,但電機系統(tǒng)等于控制器加傳統(tǒng)工業(yè)電機構(gòu)成的觀點肯定是錯誤的。工業(yè)電機與車用電機對比如下:

情況非常復(fù)雜,復(fù)雜的工況要求驅(qū)動電機有寬廣的恒扭矩恒功率范圍;第二,起動扭矩大,過載能力強,滿足汽車的加速、超車、爬坡等要求;第三,效率高,高效區(qū)廣,提高車輛的續(xù)駛里程;第四,功率密度大、體積小、重量輕,有利于整車的輕量化和小型化,方便布置;第五,環(huán)境適應(yīng)性強和高可靠性,適應(yīng)惡劣環(huán)境;第六,能量回饋效率高,充分回收制動產(chǎn)生的電能,“再生能量回饋”功能做得好的話,對提高續(xù)航里程也有一定幫助。

      目前常用的電機有交流異步電機、開關(guān)磁阻電機、永磁同步電機。對比發(fā)現(xiàn),永磁同步電機可靠性比較好,重量輕,唯一的缺點就是成本相對比較高。交流異步電機高速性能比較優(yōu)越,運行效率比永磁同步電機低。我國具有世界最為豐富的稀土資源,有著永磁同步電機發(fā)展得天獨厚的條件。根據(jù)2017年的1-6月工信部新車公告的數(shù)據(jù)來看,同步電機占比還有提高的趨勢。

史瑞祥表示,驅(qū)動電機系統(tǒng)發(fā)展趨勢,第一是向永磁化方向發(fā)展。由于受到車輛空間等限制,驅(qū)動電機系統(tǒng)除了要求高性能外,體積與重量密度的需求性更高,故永磁電機所帶來的高效能及高功率密度優(yōu)于其他種類電機。第二是向高集成度、小型化、輕量化的方向發(fā)展。例如國內(nèi)有些企業(yè)將DC/DC、車載充電機、整車控制器集成在一起,電機控制器及驅(qū)動電機集成在一起。

驅(qū)動電機系統(tǒng)標準法規(guī)

      目前驅(qū)動電機測試標準不是很多,GB/T 18488是國家強制性檢驗標準。GB/T 29307檢測驅(qū)動電機可靠性,或者叫耐久性檢驗方法。昨天的沙龍環(huán)節(jié),有企業(yè)提出了永磁同步電機退磁的問題,實際上GB/T 29307臺架測試時間比較短,退磁不明顯,而且在臺架測試時,工況是固定的,而退磁的主要原因是高溫環(huán)境影響,和路況以及駕駛習(xí)慣是有關(guān)系的。

從國外的標準情況來看,有關(guān)驅(qū)動電機系統(tǒng)標準也并不多,C-TRIAS_99是日本的標準,要求最大功率和額定功率溫升的測試方法,UL1004-1是旋轉(zhuǎn)電機標準,IEC 69785 電動道路車輛用旋轉(zhuǎn)電機(國際電工委員會),ECE R85 用于驅(qū)動 M 類和N 類汽車的內(nèi)燃機凈功率或電力驅(qū)動機構(gòu)。

       從強制性標準檢驗項目來看,只有美國是非強制的。從設(shè)置項目來看,中國設(shè)置二十多項標準,包括電機的性能、溫升、保護功能、溫度、濕熱等試驗,比較全面,對整車和企業(yè)技術(shù)開發(fā)有很好的指導(dǎo)作用。美國標準有三十多項,主要側(cè)重點在安全保護和環(huán)境適應(yīng)性等方面。歐洲和日本的標準要求項目比較少。

標準檢驗項目包括性能檢測、電氣安全、環(huán)境適應(yīng)性、可靠性、電磁兼容。性能檢測方面,包括轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性(MAP圖)、溫升、堵轉(zhuǎn)、控制精度等。電氣安全包括安全接地、控制器保護功能、支撐電容放電時間。環(huán)境適應(yīng)性方面,包括高低溫、濕熱、鹽霧、防水防塵、振動。可靠性方面,要求402h考核電氣可靠性和機械可靠性,暫時未強制要求。電磁兼容,主要檢測電磁輻射騷擾及抗擾性,由于其檢測成本較高,暫時未強制要求。

驅(qū)動電機系統(tǒng)試驗檢測

       驅(qū)動電機測試系統(tǒng)主要由測功機、直流電源、數(shù)據(jù)采集三個部分構(gòu)成。第一部分測功機部分主要是測量驅(qū)動電機輸出的扭矩、轉(zhuǎn)速、功率等參數(shù);第二部分直流電源主要是模擬動力電池給驅(qū)動電機及控制器提供直流電源和再生能量回饋時能量回收;第三部分參數(shù)采集部分主要是采集輸入控制器的直流電壓、直流電流、功率,還有控制器輸入的三相電壓、電流、交流部分總功率、頻率等。

目前在行業(yè)內(nèi)測試臺架的方案主要有三種:電渦流測功機、電力測功機、對拖測試系統(tǒng)。電渦流測功機方案的缺點是不能驅(qū)動只能加載,無法進行再生能源回饋,優(yōu)點是價格比較低廉。對拖測試系統(tǒng)方案價格同樣較低,但技術(shù)技術(shù)難度較高,一般是具有控制器開發(fā)和操控能力的企業(yè)在使用,是目前驅(qū)動電機企業(yè)使用較為廣泛的一種測試方式。電力測功機方案精度高,可靠性好,但價格昂貴,主要是檢測機構(gòu)及大型驅(qū)動電機生產(chǎn)企業(yè)在使用。

      檢測中容易出現(xiàn)的問題,是企業(yè)比較關(guān)心的問題。標準要求型式檢驗應(yīng)從出廠檢驗合格的產(chǎn)品中抽取,標準明確要求送樣數(shù)量為3套,其中兩套供型式檢驗,另1套保存?zhèn)溆?3套樣品中有兩套完全符合要求才算是合格。檢驗周期方面,公告對檢驗周期沒有要求,正常生產(chǎn)兩年應(yīng)進行一次復(fù)核,但公告沒有要求,公告不受到影響。電機及控制器銘牌要求是有明確要求,企業(yè)如果不注意,可能就會有缺項。電機型號命名要求,公告檢驗未做強制要求。

MAP圖方面,無論是電動狀態(tài)或者驅(qū)動狀態(tài)MAP圖測試測試點的選擇很重要,在整個工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)一般取不少于10個轉(zhuǎn)速點,在每個轉(zhuǎn)速點上取不少于10個轉(zhuǎn)矩點,對于高速狀態(tài)轉(zhuǎn)矩點可以減少,但不低于5個轉(zhuǎn)矩點。包含額定轉(zhuǎn)速、持續(xù)扭矩特征點。測試點要均為分布不少于100個點。

      鹽霧實驗要求電機和控制器進行鹽霧試驗48h后,恢復(fù)(1-2)h,幾乎都能達到要求。但有的通電檢查電機及控制器,會發(fā)生控制器打火或者電機冒煙、銹蝕等情況,這是由于密封(尤其是線纜孔和插接件的部位)和表面防銹處理達不到要求,導(dǎo)致電機和控制器腐蝕或損壞絕緣。

防護等級方面,標準要求防護等級滿足IP44或者更高等級的防護要求即可。但是在2017年1月發(fā)布實施的《電動客車安全技術(shù)條件》中要求安裝在客艙地板以下且距地面500mm以下的B級電壓電氣設(shè)備防護等級不低于IP67。目前大部分驅(qū)動電機位于客艙地板以下且距地面500mm以下,需要進行IP67的防護等級試驗。經(jīng)常出現(xiàn)電機和控制器在防護等級試驗后,通電檢查不能繼續(xù)使用情況,這是由于密封達不到要求,導(dǎo)致電機和控制器進水進塵絕緣損壞。

耐振動試驗(正弦振動和隨機振動)中,經(jīng)常出現(xiàn)一個問題,振動使電路板上引腳或元器件損壞,導(dǎo)致振動后電機或者控制器無法工作,電機繞組串動、絕緣損壞、鐵芯松散。這說明控制器焊接技術(shù)需要提高,電機裝配技術(shù)需要提高。

可靠性試驗方面,耐久試驗中由于電應(yīng)力、熱應(yīng)力、機械應(yīng)力,存在永磁體性能下降,電機繞組絕緣老化,電機軸承出現(xiàn)磨損等情況。控制器由于電應(yīng)力,有IGBT擊穿等情況。

      EMC測試方面,標準中電磁輻射騷擾和電磁輻射抗擾性項目要求是驅(qū)動電機系統(tǒng)在運行中所產(chǎn)生的電磁輻射騷擾應(yīng)符合產(chǎn)品技術(shù)文件規(guī)定。驅(qū)動電機系統(tǒng)在運行中規(guī)定較為寬泛,由于目前國內(nèi)電磁兼容設(shè)備水平所限,大部分驅(qū)動電機電磁兼容項目是在空載下測試完成。實際情況不同帶載情況的電磁兼容測試結(jié)果差異較大?？蛰d的測試結(jié)果不能準確反映車輛運行過程中電磁兼容情況。相關(guān)的標準也在制定中。

可靠性測試(GB/T 29307-2012)方面,該標準可靠性試驗方式?jīng)]有區(qū)分混合動力、純電動等具體使用工況進行針對性的可靠性考核,統(tǒng)一采用同一種工況。因此,在此后標準修訂的時,可能會考慮到各種工況針對性的可靠性測試。