电动汽车驱动技术的现状和未来趋势

Kaushik Rajashekara, Fellow, IEEE

摘要：本文综述了主要电力驱动部件—电池、电动机和能量系统的现状和发展要求。 介绍了电力驱动系统、电池充电和动力系统的未来趋势。也讨论了基于锂空气电池和插入式燃料电池电动汽车车辆动力系统的发展可能。

关键词：电池；电动机；电动汽车（EV）；插电式混合动力电动车（PHEV）；电力电子；驱动

I.绪论

电动车（EV）始于19世纪末。他们非常受欢迎，直到1918年一些电动汽车仍在出售。例如在1900年，大约4200辆汽车在路上，其中38％是电动，22％汽油动力和40％的蒸汽动力。随着汽油发动机发展，汽油成本的下降以及用于内燃机的电力启动器的发明，人们对EV完全失去了兴趣。尽管如此，一些汽车公司仍然通过实验不同类型的驱动电机、能量存储系统以及结合先进的功率转换技术继续研究和改进EV技术。

在阿拉伯石油禁运期间（1973-1974年），电动汽车研究发展被推到了最前沿。然而，当汽油价格在20世纪70年代后期下降时，电动汽车研究再次搁置。20世纪80年代，由于环境问题，人们对电动汽车的兴趣恢复。通用汽车（GM）IMPACT（EV1电动汽车的原型）早在20世纪90年代初就开始关注的空气质量。IMPACT设计基于先进的驱动系统技术，并且适合大批量生产^[1]，[2]。这项技术进一步改进，在90年代中期EV1电动汽车被GM商业化。EV1的驱动电动机为感应电动机，采用铅酸电池作为电池驱动。它是在1996年用于出租，EV1是第一批大型汽车制造商以大规模生产为目的设计的电动汽车，也是第一个通用汽车从一开始就设计定位为电动汽车的汽车。由于铅酸电池的容量有限，1999年通用转向研究镍氢电池（NiMH），其提供更大的容量，但成本更高。在90年代，其他汽车公司也在开发电动车。例如，在1996年，丰田开发了两门和四门RAV4的纯电动版本。它于1996年9月在日本上市，然后在1998年在美国上市^[3]。从1996年到2003年，丰田汽车公司销售约1900台第一代RAV4EV。许多第一代RAV4电动汽车仍然在路上。在1997年，随着丰田发布普锐斯混合动力汽车，其优越的商业可用性使人们对纯电动汽车的兴趣再次下降。纯电动汽车的重点已转移到其他车型和城市车辆。主要由新兴的汽车公司如Think Global，Fiskar等推动。

2003年，特斯拉汽车宣布开发纯电动汽车。在2008年和2012年之间，特斯拉Roadster是由加利福尼亚特斯拉汽车公司生产的电动EV^[4]，[5]，到2012年9月，全球销售了超过2400台。Roadster是第一台使用锂离子电池全电动汽车辆，每次充电行驶里程超过200英里。丰田和特斯拉汽车共同宣布开发一种全电动2013版丰田RAV4EV，声称是世界上最符合空气动力学的SUV^[6]。预计从完全充电续航里程达到100英里，并且使用240V/40A充电器可以在约6小时内充电完毕。今天，诸如Tesla Model S，Nissan Leaf，Mitsubishi i-MiEV等几种其它电动汽车都可以在市场上买到。

在过去十年中，插电式混合动力电动车（PHEV）在北美和其他国家越来越受到关注。插电式混合动力车可以是串联或并联混合动力，其电池通过充电器连接到外部电源（如EV中）来充满电。与先进的HEV电池相比，这需要相对更高容量的电池。另外，其相对于先进的HEV动力系统配置有显着增强，也增加的热管理系统负载，同时还存在与插入式HEV关联使用的问题以及其他因素，这是其需要解决的。由于其具有更大的电池容量（5-15kWh），PHEV可以在纯电动模式下短距离行驶。在混合模式中，电池和HEV电池一样作为辅助动力源。因此，PHEV电池需要兼顾能量和功率性能，需要类似于HEV中的浅循环耐久性和诸如EV电池的深循环耐久性。通用雪佛兰Volt，丰田普锐斯和福特C-Max Energi是市场上可以买到的一些PHEV。其他汽车制造商也计划在不久的将来将PHEV商业化。

逆变器

电池

输出转矩

电动机

加速信号

制动信号

车速信号

功率驱动电路

驱动力矩处理

bull;驱动力矩

bull;制动力矩

bull;运动控制

电机控制处理

bull;矢量控制

bull;电机/逆变器保护控制

bull;高电压循环管理

图1 典型电动汽车动力系统的驱动系统构成

EV中所需的关键子系统是驱动系统，其提供牵引力以驱动车辆。EV中的驱动系统包括能量存储系统、功率转换器，以及驱动电动机和相关联的控制器，如图1所示。电池是最广泛使用的能量存储系统，并且电池充电器是EV系统的组成部分。在本文中，讨论了电动汽车驱动当前技术和未来趋势。这些技术趋势也同样适用于混合动力和插电式混合动力汽车。

II.电动机

电动机将由电池提供的能量转换成机械能以向车轮提供牵引力。电动机的控制器确定驱动系统的特性和功率转换器中的功率装置的额定值。驱动电机的主要要求包括具有一定强度、高扭矩惯量比、高扭矩密度、宽速度范围、低噪音、易于或无需维护、小尺寸、易于控制和低成本。

研究者已经进行了几种用于汽车驱动的电机技术研究。这些包括感应、永磁（PM）、开关磁阻和轴向间隙机。大多数市售的电动和混合动力车辆使用感应或PM电机用于驱动。汽车制造商和供应商已经显着改进了用于电动和混合动力车辆的电机技术。特斯拉Roadster感应电机的峰值功率密度是通用EV1中使用的感应电机的两倍以上。如今，永磁同步电动机（IPM）由于其高效率、高扭矩、高功率密度和相对容易的弱磁操作而广泛用于汽车驱动。丰田普锐斯、福特Escape和雪佛兰伏特就是一些使用IPM的汽车。尽管基于IPM的电动机目前用于大多数电动和混合动力车辆，但是对磁体资源的可用性、研究制造成本的增加仍存在极大的争议。许多公司和研究人员正在开发不使用PM而是实现与IPM电机相同性能的电机。有至少四个方法来实现这一点。

A.感应电机

感应电动机在过去的几种类型的EV中使用过，包括通用EV1，其具有相当好的性能。它也被用于特斯拉电动汽车：如Roadster、S型和丰田Tesla RAV4。在进一步的研究和开发中，增加了工作电压，使用铜笼转子，并为特定车型定制设计，可以进一步提高这些电机的效率和性能。

B.开关磁阻电机

开关磁阻电机（SRM）本质上是逆变器驱动的方波单极电流操作的同步电机。转矩由转子凸极性和脉冲电流产生。电机的磁和电的相互独立性以及没有PM使其具有容错性并且还提高了可靠性。转子的机械完整性使其更容易达到高速和高功率密度状态。SRM的机械设计具最简单。但机器工作时噪声大、转矩脉动较高、效率低、尺寸和重量较大（比PM机器），并且设计不能达到与感应或PM机器相同的程度。汽车公司从20世纪90年代初开始进行了几次尝试，将这些电机用于EV驱动。由于SRM存在以下问题和IPM电机机的进步，人们对SRM应用于电动汽车的兴趣下降。然而，随着稀土磁体的成本增加，对于推进SRM技术用于EV仍然具有强烈的兴趣。最近，John Deere介绍了两台装有开关磁阻电动机和发电机的柴电混合动力装载机。2012年1月，日本电动汽车展上，Nidec展出了一款开关磁阻车辆牵引电机，它可以以最低的成本实现接近IPM机器的性能。其他几家公司也展示了基于开关磁阻电机的驱动系统的电动汽车^[7]。

人们正在进行大量的研究工作，以减少开关磁阻（SR）机器中的转矩波动和噪声。正在进行的一个新技术是引入具有双定子的开关磁阻电机^[8],[9]。与传统SR电机相比，它具有高扭矩密度，低惯性和低噪声。优化电机内的磁通路径，并声称能提供至少两倍于常规SR电机的转矩密度。机器内的两个定子消除径向力，这将在正常工作时使噪声最小化。为了减小惯性，提出了一种壳式转子结构。电机容错性和速度范围与普通SR电机相同。

图2 同步磁阻电机轴向叠片

图3 PM助式同步磁阻电机

C同步磁阻电机

同步磁阻电机（SynRM）技术结合了感应电机和永磁电机的优点，并以同步速度运行。它具有感应电机的稳定性；尺寸、效率、同步速度与PM电机类似，同时解决PM技术中的问题。SynRM的定子类似于的感应电动机或PM电动机，采用分布式绕组。转子被设计成在一个方向上产生最小可能的磁阻，同时在垂直方向上产生最高磁阻。这些电动机容错性如感应电动机，因为当定子绕组不通电时，转子中没有磁通。控制策略几乎类似于PM电动机，而不同于具有不同的定子、转子、功率转换器的开关磁阻电动机。许多论文发表在SynRM技术及其在电动车上的应用^[10]-[13]。由于存在制造、可控性、功率因数低等相关的一些问题，这些电机没有被考虑用于电动汽车和其他机器。最近，ABB已经改进了这项技术，已经商业化用于几种工业应用^[14]。其核心创新是转子设计，因为电动机的定子侧与感应电动机相同。

同步磁阻电机的低功率因数仍然是不利的，因为它增加了电动机驱动器的尺寸。为了在该机器中实现高功率因数，需要大的凸极比。这导致相对大的无功功率，同时使逆变器的尺寸增加。通过轴向和横向层压的SynRM转子结构可以实现大的凸极性。通过合理位置、形状和磁通屏障的数量来增强横向层压转子的有效凸极比。图2示出了现代的轴向层叠转子。这种类型的转子可以具有高的直轴电感（Ld）和低的正交轴电感（Lq），因此凸极比可以很高，以使SynRM能够在更好的功率因数下工作^[10]。

D PM-辅助同步磁阻电机

几个研究人员一直在研究向同步磁阻转子添加少量PM（图3）以实现更高功率因数^[15]-[18]。该电机类似于IPM电机；然而相对于常规IPM，其使用的PM的量和PM通量链接更小。通过将适当量的磁体添加到转子芯中，提高效率而没有显着的反电动势，并且没有改变定子设计。机器过载和高温的退磁现象是IPM中的重要问题，而在PM辅助SynRM中没有这个问题。通过选择适当数量的永磁体并且通过合适的效率优化控制，可以使PM辅助同步磁阻电机的性能类似于IPM电机的性能。瑞士的Brusa已经在EV应用中展示了PM辅助SynRM的一个版本^[19]。

使用先进的设计方法、控制策略、热设计，改进的制造过程，SynRM和PM辅助SynRM的性能可以进一步提高，这些电机可以满足电动汽车中驱动电机的要求。

III.电力电子系统

电力电子技术有助于电动和混合动力车辆驱动系统开发。电力电子系统由功率开关装置、具有拓扑转换策略的功率变换器以及如图1所示的电动机的闭环控制系统组成。功率半导体器件、转换器/逆变器的选择，控制和开关策略，各个单元的封装以及系统集成对于高效和高性能车辆的开发是非常重要的。现在面对的挑战在于如何获得高效、坚固、小尺寸、低成本的逆变器以及用于控制三相电机电子设备。设备和其余部件要能承受热循环和剧烈振动。所有当前的EV和HEV都使用三相桥式逆变器拓扑，来将电池的直流电压转换成可变电压和可变频率给三相交流电动机供电。三相硬开关桥逆变器是在所有电动和混合动力车辆中使用的拓扑。这种拓扑结构简单且经过充分证明，并且是未来的技术，如增加不同类型的功率器件和滤波元件、降低电磁干扰（EMI）、保护电路等。

随着半导体器件技术的进步，市场上有几种具有不同性能的功率器件。IMPACT使用两个三相逆变器，每个分别为前轮驱动感应电机供电。每个逆变器并联连接24个MOSFET，从而对于逆变器的每个相支路（每个逆变器总共144个MOSFET）产生48个MOSFET。这48个MOSFET随后被单个IGBT模块替代，从而每个支路产生三个IGBT模块。目前，IGBT器件被用于几乎所有的在销售的EV、HEV、PHEV中。在不久的将来，IGBT技术将继续，直到基于碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）的器件与硅IGBT的购买成本相似。这些设备的技术已经在汽车和其他电力应用中取得了显着的进步^[20]-[22]。

SiC已成为大多数下一代功率半导体器件的选择，并且可以替代现有的硅技术。SiC器件特征明显，具有固有的耐辐射性、高温工作能力、高电压和功率抵抗能力、高功率效率和用作衬底的灵活性。SiC的各种性质如更宽的带隙、更大的临界电场、更高的热导率使得SiC器件能够在更高的温度和更高的电压下工作，提供比纯Si器件更高的功率密度和更高的电流密度。这些性质允许如肖特基二极管，MOSFET和其它器件的SiC器件在比硅器件高得多的电压电平下工作。然而，目前碳化硅JFET和MOSFET的技术不够成熟，难以与EV和HEV中的硅器件的可靠性相匹配。这些器件与SiC晶体管有竞争，SiC晶体管似乎在寿命测试、高温工作、温度循环方面可靠性更高，以及抗冲击和振动性能。

由于GaN器件具有优异的材料性质，例如高电子迁移率、高击穿电场、高电子速度，因此GaN器件具有比硅基器件更高的性能，以及比SiC器件好得多的性能。基于GaN的电力电子器件具有低导通电阻和快速开合，导致传导和开合损耗的显着减少。由于其与大批量硅晶片有良好的兼容性，GaN-on-Si技术平台可以大批量生产，从而实现高性能和低成本。它比硅的成本高，因为GaN与硅衬底相容，所以成本低于SiC。由于在大多数驱动逆变器中功率器件的直流额定电压的要求是lt;1000V，因此GaN比更高电压的SiC器件更适用于EV。使用GaN功率电子器件可以提高系统级优点，例如减小尺寸和重量

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