驅(qū)動(dòng)電機(jī)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(lì)、促進(jìn)新能源汽車發(fā)展。

在相關(guān)政策的激勵(lì)和促進(jìn)下,我國電動(dòng)汽車得到了快速的發(fā)展。中國汽車工業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)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(shí)中國新能源汽車銷量超過美國,成為全球第一。

 隨著電動(dòng)汽車的快速發(fā)展,電動(dòng)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(jī)(電機(jī)及變速箱系統(tǒng))、電控(整車控制器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器;動(dòng)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(jī)、DC/DC、高壓配電盒。

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

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

史瑞祥總結(jié)了驅(qū)動(dòng)電機(jī)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(jī)生產(chǎn)企業(yè)轉(zhuǎn)型(大洋電機(jī)等)、專業(yè)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)生產(chǎn)企業(yè)(北京精進(jìn)等)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)相對(duì)比較簡單,但電機(jī)系統(tǒng)等于控制器加傳統(tǒng)工業(yè)電機(jī)構(gòu)成的觀點(diǎn)肯定是錯(cuò)誤的。工業(yè)電機(jī)與車用電機(jī)對(duì)比如下:

情況非常復(fù)雜,復(fù)雜的工況要求驅(qū)動(dòng)電機(jī)有寬廣的恒扭矩恒功率范圍;第二,起動(dòng)扭矩大,過載能力強(qiáng),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(qiáng)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(dòng)產(chǎn)生的電能,“再生能量回饋”功能做得好的話,對(duì)提高續(xù)航里程也有一定幫助。

      目前常用的電機(jī)有交流異步電機(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)、永磁同步電機(jī)。對(duì)比發(fā)現(xiàn),永磁同步電機(jī)可靠性比較好,重量輕,唯一的缺點(diǎn)就是成本相對(duì)比較高。交流異步電機(jī)高速性能比較優(yōu)越,運(yùn)行效率比永磁同步電機(jī)低。我國具有世界最為豐富的稀土資源,有著永磁同步電機(jī)發(fā)展得天獨(dú)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(jī)占比還有提高的趨勢(shì)。

史瑞祥表示,驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì),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(dòng)電機(jī)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(jī)所帶來的高效能及高功率密度優(yōu)于其他種類電機(jī)。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(jī)、整車控制器集成在一起,電機(jī)控制器及驅(qū)動(dòng)電機(jī)集成在一起。

驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)

      目前驅(qū)動(dòng)電機(jī)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)不是很多,GB/T 18488是國家強(qiáng)制性檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。GB/T 29307檢測(cè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)可靠性,或者叫耐久性檢驗(yàn)方法。昨天的沙龍環(huán)節(jié),有企業(yè)提出了永磁同步電機(jī)退磁的問題,實(shí)際上GB/T 29307臺(tái)架測(cè)試時(shí)間比較短,退磁不明顯,而且在臺(tái)架測(cè)試時(shí),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(biāo)準(zhǔn)情況來看,有關(guān)驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)也并不多,C-TRIAS_99是日本的標(biāo)準(zhǔn),要求最大功率和額定功率溫升的測(cè)試方法,UL1004-1是旋轉(zhuǎn)電機(jī)標(biāo)準(zhǔn),IEC 69785 電動(dòng)道路車輛用旋轉(zhuǎn)電機(jī)(國際電工委員會(huì)),ECE R85 用于驅(qū)動(dòng) M 類和N 類汽車的內(nèi)燃機(jī)凈功率或電力驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。

       從強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)項(xiàng)目來看,只有美國是非強(qiáng)制的。從設(shè)置項(xiàng)目來看,中國設(shè)置二十多項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn),包括電機(jī)的性能、溫升、保護(hù)功能、溫度、濕熱等試驗(yàn),比較全面,對(duì)整車和企業(yè)技術(shù)開發(fā)有很好的指導(dǎo)作用。美國標(biāo)準(zhǔn)有三十多項(xiàng),主要側(cè)重點(diǎn)在安全保護(hù)和環(huán)境適應(yīng)性等方面。歐洲和日本的標(biāo)準(zhǔn)要求項(xiàng)目比較少。

標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)項(xiàng)目包括性能檢測(cè)、電氣安全、環(huán)境適應(yīng)性、可靠性、電磁兼容。性能檢測(cè)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(hù)功能、支撐電容放電時(shí)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(dòng)?？煽啃苑矫?要求402h考核電氣可靠性和機(jī)械可靠性,暫時(shí)未強(qiáng)制要求。電磁兼容,主要檢測(cè)電磁輻射騷擾及抗擾性,由于其檢測(cè)成本較高,暫時(shí)未強(qiáng)制要求。

驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)試驗(yàn)檢測(cè)

       驅(qū)動(dòng)電機(jī)測(cè)試系統(tǒng)主要由測(cè)功機(jī)、直流電源、數(shù)據(jù)采集三個(gè)部分構(gòu)成。第一部分測(cè)功機(jī)部分主要是測(cè)量驅(qū)動(dòng)電機(jī)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(dòng)力電池給驅(qū)動(dòng)電機(jī)及控制器提供直流電源和再生能量回饋時(shí)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(cè)試臺(tái)架的方案主要有三種:電渦流測(cè)功機(jī)、電力測(cè)功機(jī)、對(duì)拖測(cè)試系統(tǒng)。電渦流測(cè)功機(jī)方案的缺點(diǎn)是不能驅(qū)動(dòng)只能加載,無法進(jìn)行再生能源回饋,優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格比較低廉。對(duì)拖測(cè)試系統(tǒng)方案價(jià)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(dòng)電機(jī)企業(yè)使用較為廣泛的一種測(cè)試方式。電力測(cè)功機(jī)方案精度高,可靠性好,但價(jià)格昂貴,主要是檢測(cè)機(jī)構(gòu)及大型驅(qū)動(dòng)電機(jī)生產(chǎn)企業(yè)在使用。

      檢測(cè)中容易出現(xiàn)的問題,是企業(yè)比較關(guān)心的問題。標(biāo)準(zhǔn)要求型式檢驗(yàn)應(yīng)從出廠檢驗(yàn)合格的產(chǎn)品中抽取,標(biāo)準(zhǔn)明確要求送樣數(shù)量為3套,其中兩套供型式檢驗(yàn),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(yàn)周期方面,公告對(duì)檢驗(yàn)周期沒有要求,正常生產(chǎn)兩年應(yīng)進(jìn)行一次復(fù)核,但公告沒有要求,公告不受到影響。電機(jī)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(huì)有缺項(xiàng)。電機(jī)型號(hào)命名要求,公告檢驗(yàn)未做強(qiáng)制要求。

MAP圖方面,無論是電動(dòng)狀態(tài)或者驅(qū)動(dòng)狀態(tài)MAP圖測(cè)試測(cè)試點(diǎn)的選擇很重要,在整個(gè)工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)一般取不少于10個(gè)轉(zhuǎn)速點(diǎn),在每個(gè)轉(zhuǎn)速點(diǎn)上取不少于10個(gè)轉(zhuǎn)矩點(diǎn),對(duì)于高速狀態(tài)轉(zhuǎn)矩點(diǎn)可以減少,但不低于5個(gè)轉(zhuǎn)矩點(diǎn)。包含額定轉(zhuǎn)速、持續(xù)扭矩特征點(diǎn)。測(cè)試點(diǎn)要均為分布不少于100個(gè)點(diǎn)。

      鹽霧實(shí)驗(yàn)要求電機(jī)和控制器進(jìn)行鹽霧試驗(yàn)48h后,恢復(fù)(1-2)h,幾乎都能達(dá)到要求。但有的通電檢查電機(jī)及控制器,會(huì)發(fā)生控制器打火或者電機(jī)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(dá)不到要求,導(dǎo)致電機(jī)和控制器腐蝕或損壞絕緣。

防護(hù)等級(jí)方面,標(biāo)準(zhǔn)要求防護(hù)等級(jí)滿足IP44或者更高等級(jí)的防護(hù)要求即可。但是在2017年1月發(fā)布實(shí)施的《電動(dòng)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(jí)電壓電氣設(shè)備防護(hù)等級(jí)不低于IP67。目前大部分驅(qū)動(dòng)電機(jī)位于客艙地板以下且距地面500mm以下,需要進(jìn)行IP67的防護(hù)等級(jí)試驗(yàn)。經(jīng)常出現(xiàn)電機(jī)和控制器在防護(hù)等級(jí)試驗(yàn)后,通電檢查不能繼續(xù)使用情況,這是由于密封達(dá)不到要求,導(dǎo)致電機(jī)和控制器進(jìn)水進(jìn)塵絕緣損壞。

耐振動(dòng)試驗(yàn)(正弦振動(dòng)和隨機(jī)振動(dòng))中,經(jīng)常出現(xiàn)一個(gè)問題,振動(dòng)使電路板上引腳或元器件損壞,導(dǎo)致振動(dòng)后電機(jī)或者控制器無法工作,電機(jī)繞組串動(dòng)、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(jī)裝配技術(shù)需要提高。

可靠性試驗(yàn)方面,耐久試驗(yàn)中由于電應(yīng)力、熱應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力,存在永磁體性能下降,電機(jī)繞組絕緣老化,電機(jī)軸承出現(xiàn)磨損等情況?？刂破饔捎陔姂?yīng)力,有IGBT擊穿等情況。

      EMC測(cè)試方面,標(biāo)準(zhǔn)中電磁輻射騷擾和電磁輻射抗擾性項(xiàng)目要求是驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)在運(yùn)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(dòng)電機(jī)系統(tǒng)在運(yùn)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(dòng)電機(jī)電磁兼容項(xiàng)目是在空載下測(cè)試完成。實(shí)際情況不同帶載情況的電磁兼容測(cè)試結(jié)果差異較大?？蛰d的測(cè)試結(jié)果不能準(zhǔn)確反映車輛運(yùn)行過程中電磁兼容情況。相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)也在制定中。

可靠性測(cè)試(GB/T 29307-2012)方面,該標(biāo)準(zhǔn)可靠性試驗(yàn)方式?jīng)]有區(qū)分混合動(dòng)力、純電動(dòng)等具體使用工況進(jìn)行針對(duì)性的可靠性考核,統(tǒng)一采用同一種工況。因此,在此后標(biāo)準(zhǔn)修訂的時(shí),可能會(huì)考慮到各種工況針對(duì)性的可靠性測(cè)試。