三次重大技术改造,低速电动车驱动系统发展路线你应该知道更多

丞相本布衣

微型电动汽车在因其舒适,价格低廉使用成本比较低,在城乡市场大受欢迎。从2010年产销量不足2万辆,到2014年产销量接近20万辆,五年时间市场份额增长将近10倍,近几年微型电动车的发展可谓迅猛,产销量一片叫好。从诞生之日起,各种质疑声接踵而至,整车的安全性、合法性、生产资质等等各方面的声音在质疑这一新生的产业。更有专家妄断低速电动汽车就是“垃圾技术”,任何的产业的发展都有自己的规律,交通工具的发展也是如此,道路的改善必将推动交通工具的升级,新型交通工具的出现,又会反作用于道路硬件条件的提升。但是交通工具在存在形式只有最合适没有先进与落后之分。如果说微型电动汽车是“垃圾技术”,按照这种逻辑,存在了一百多年的自行车更应该淘汰出局。微型电动汽车从诞生的时候并没有得到政策资金的照顾,然而顺应了市场的需求规律,在价格能接受的情况下,由简单入手,然后逐步通过技术资金来提升产品品质,进一步形成适合这一级市场的产品。经过短短5年多时间的发展,作为微型电动汽车的驱动系统,经历了三次技术升级,性能越来越稳定,适应性也越来越好。

微型电动汽车发展到现在,驱动系统的技术升级主要经历了三次重大的技术改造。分别是第一代嫁接场地车驱动技术,直接将场地车的串励控制器及电机装到小汽车车壳里面;第二代开始针对小型电动汽车的结构和特性,有针对性的设计驱动系统,更具有调速换向优势的他励电机及控制器逐渐替换掉串励系统安装在微型电动汽车里面;第三代驱动系统更接近电动汽车的要求,对于小型电动汽车的使用特性,交流电控驱动系统显得更加适合,控制器及电机的稳定性越来越强,控制算法和控制策略也更加先进。控制器的升级换代也客观的反映出小型电动汽车作为一个新兴产业,逐渐由不成熟走向成熟,由低门槛向高端制造在一步步迈进。

三次重大技术改造,一文看懂低速电动车驱动系统发展路线

1、串励电机控制器

2002年左右房地产经过前期酝酿,逐渐开始迸发活力。为了显现出楼盘建设的高端大气上档次,有些地产公司便引入了不烧油又没有噪音的电动车,早期进入中国的场地车也叫看房车或者高尔夫球车,因其使用方便,维护简单,无噪音无排放,很受一些地产企业欢迎。此阶段的电动车还不能严格意义上叫微型电动车,这类电动车所用的驱动系统为串励电机和控制器。典型的结构就是斩波器加上一个换向器,形成一个控制器总成。

作为动力驱动系统的串励电机,其特性就是启动转矩比较大,在连接形式上,转子与定子线圈串联,转子与定子电流相同,低转速情况下,转子旋转形成的反电动势小,流过电流大,能够输出较大的转矩,一旦转速上升,反电动势增加,流过电流减小,相应输出转矩变小,整个机械特性显得比较软。具体的表现就是车上人少的时候速度能提的比较高,一旦车上人多的时候,为了维持大的输出扭矩,整个车速就会降下来。整个系统的调速主要是由斩波器的调压来进行调速,换向的时候由于串励电机的自身特性,需要在斩波器旁边安装一个价格不菲的换向器接,由于换向电流都比较大,如果控制器的控制策略或软件算法跟硬件平台不过关,经常会引起换向接触器的烧毁,接触器的触点粘合,甚至会烧毁电机。因其低转速的优良转矩输出特性,过载能力强,低速输出转矩大,所以在运货车、场地车这些场合运用的比较多。最早在没有现成的动力驱动系统的情况下,微型电动车出现直接将此类动力系统直接引入,在应用的过程中出现相应的续航里程无法上去,没有能量回馈,经常性的倒车换向会引起接触器粘连,整个机械特性比较软,调速性能不是很适合微型电动汽车,这种动力系统存在了一定的时间就慢慢淡出微型电动汽车的配件领域。但是在场地车拉货车等容易过载的应用场合依然有很强的生命力。在此阶段也诞生了一大批控制器生产企业。

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2、他励电机控制器

由于串励电机及控制器在最早出现的微型电动汽车上的使用已经显现出一定的弊端,特别是调速性能和电机的机械特性不是很适合微型电动汽车的车况,国内最早一批做电动车的厂家和做控制器的厂家开始着手动力系统的升级。与此同时,随着国家对农村建设的投入,如村村通,农村道路水泥化等等各项措施的推进,新农村建设的直接结果是极大的改善了农村的交通道路状况,城镇化的加快,城乡道路硬件建设的进一步提升。农村城镇居民的收入也在不断的持续增加,对出行交通工具有了更进一步的要求,低使用成本,低购买成本的微型电动汽车成为农村城镇居民的首选,微型电动汽车需求市场进一步扩大。在城镇农村事实上已经形成了家庭拥有小轿车的经济基础和运行的客观条件。传统燃油车的维护成本不断增加,油价的不断上涨,在这种情况下,迫切需要价格低廉,维护成本低的交通工具。

经过电动汽车厂家和做控制器的企业联合努力,曾经用在小型高尔夫球车上的动力系统相对比较适合微型电动汽车上,首先小型高尔夫球车一般为4座或6座,跟微型电动汽车比较接近。就这样小型高尔夫球车上的他励电机和控制器作为动力系统被用在微型电动汽车上面。然而小型高尔夫球车的使用工况跟汽车相比毕竟有很大的区别,从这时开始控制器生产厂家开始跟整车厂家紧密结合,根据整车的使用工况来确定定制控制器的控制方式和控制策略。而他励电机的结构也决定了它比串励电机更有优势,他励电机的励磁线圈和转子线圈分别单独供电,在控制方式上能够实现励磁线圈弱磁控制,使电机能够在超过额定速度的宽范围内进行调速,调速范围比串励电机更有优势。励磁线圈的单独供电,使得电机在车辆进行刹车、下坡的工况下能够比较容易的实现能量回收,能够有效的延长续航里程。在换向的时候只需要利用电子方式改变转子电流方向即可进行换向,不需要外接换向接触器,成本上更具有优势。他励控制器和电机进入到微型电动汽车驱动领域,进口品牌的控制器开始被国产控制器追赶并超越。

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在这一阶段不得不提山东时风集团,以敢为人先的精神提出造电动汽车,率先在电动汽车上面采用了他励电机及驱动系统,使微型电动汽车的续航里程大幅度提高,使用成本更进一步降低,微型电动汽车的市场接受程度进一步增强。时风本身具有农用车的渠道优势,使微型电动车在农村市场的推广更为顺利。作为一个标杆企业,也带动了山东省内的全民造车的高潮,山东省一跃成为全国最大的微型电动车产销地。市场的需求因为山东省的示范作用被进一步扩大,同时带动河北、河南、江苏、浙江等地的电动车的发展。

经过几年的发展,以他励控制器为核心的配套厂家也发展起来,比如珠海英搏尔,西安仁安电控等。就技术而言他励控制器在控制策略软件算法层面以及电力电子技术的理解深度,对工程师提出更高的要求,特别是硬件平台的稳健可靠,使技术门槛相对有所提高。控制器生产厂家开始出现分水岭,有很多生产串励控制器的厂家到现在依然没有突破他励控制器的技术壁垒。他励电机作为直流电机应用在微型电动汽车上虽然比串励电机有一定的优势,但是不足很快就显现出来,出现一系列的问题,主要表现在四个方面。第一、需要根据电动车行驶的里程定期更换碳刷,维护起来很麻烦。第二、因为是直流电机,换向过程中容易出现电火花,不安全。第三、电机封闭情况,发热情况不容乐观。第四、使用的皮实性并不能很好的满足车况的要求。未定电动汽车用户逐渐在使用的过程中逐渐认识到这些短板,相关的整车生产厂家也逐步的意识到他励电机和控制这种动力系统会增加很多售后成本。

随着国家多电动汽车事业的支持,特别是发达国家对电动汽车相关核心部件的研发投入,电机技术的飞速发展。效率更高,功率密度更大的永磁同步电机、直流无刷电机、低压交流异步电机的技术不断完善。这类电机拖动系统开始进入微型电动汽车动力驱动视野。微型电动汽车的动力驱动系统开始进入发展的第三阶段,并且出现分支。

3、交流电机控制器

从2013年下半年开始,交流控制器开始进入微型电动汽车的动力驱动系统。并且出现分支。在这个时期,市场需求更进一步的扩大,整个市场呈现井喷式的发展,微型电动汽车为广大老百姓所接受。并且消费者对整车的舒适度,整车的质量等方面开始提出要求。国家层面开始对微型电动车这一新兴产业侧目而看,各方面的质疑声也加速了整车厂对工艺的改进。许多厂家也是在这一时期进行整顿,产线上四大工艺,使整车的制造水平有了很大的提升,整车的质量状况跟相同体量车型的传统燃油车的质量越来越接近,甚至有的已经达到同等的质量水平。

微型电动汽车动力系统的升级,极大的提升了整车的性能和使用舒适度,也让现有铅酸电池的续航能力得到更进一步的挖掘,整车的技术含量也更进一步提升。微型电动汽车普遍使用的电压等级为48V、60V、72V、96V、144V这几个等级,其中以72V最为主流,低电压大功率的电机控制,对电力电子技术在新能源汽车领域的应用提出了更为苛刻的要求,技术门槛更进一步提升,使得在这一领域掌握核心技术的厂家更进一步减少。也使得技术能力出众的整车公司体突破重重障碍登上工信部汽车生产目录,能够上牌拿到政府新能源汽车推广补贴。

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交流电机控制器根据控制目标电机主要分为交流异步、永磁同步和永磁直流无刷三类:

(1)交流异步

交流异步电机控制器主要是用于控制交流异步电机。这种电机发展时间最为长久,工艺也最成熟。无论在可靠性还是稳定性还是在环境适应能力上没有电机能与之相媲美。其工作原理是依靠电机定子产生旋转圆形磁场来感应转子,使转子产生感应电流,从而拖动转子旋转,定子磁场和转子磁场并不同步存在转速差。正是因为交流异步电机的自身结构和旋转的原理较为复杂,使得交流异步电机在控制的时候显得很复杂。特别是下坡、刹车这些进行能量回收的阶段,软件控制策略相相当复杂。在工业应用方面主要是用变频器来进行交流异步电机的调速和控制,在这些场合电压等级高,功率小,电流小控制起来相对比较容易,在控制策略上普遍采用的是VVVF控制即电压频率比值固定的方式,而且由于市场的原因在此类变频器应用场合的市场接受不良率在5%以内。

交流异步电机应用于电动汽车的时候,特别是微型电动汽车上面,主流的电池电压在72V,电压资源非常宝贵,在这种情况下传统的变频器已经不再适合。低电压大电流的使用特性,需要对控制器完全重新定义结构,在控制策略上更要选择更为先进的空间矢量控制。从这方面来讲,传统的变频器厂家做微型电动汽车控制器相对于新来者并没有压倒性的优势。汽车核心配件的应用要求的特殊性,交流异步电机控制器在微型电动汽车上的应用也能直接推动变频器的发展。在变频器行业5%以内的不良率是汽车核心配件不能接受的。

美国的特斯拉将交流异步电机成功的应用于电动汽车,使电动汽车表现出优异的特性更是促进人们重新认识交流异步电机。微型电动汽车经过三次控制器升级,目前普遍使用的是交流异步电机,控制策略的提升,高功率密度的电力电子器件的应用,微型电动汽车更是表现出一定的优异性。众泰云100、御捷、时风、雷丁、大阳等等厂家使用的都是该类制器。

(2)永磁同步和永磁直流无刷

永磁同步和永磁直流无刷电机在结构上比较接近,运行原理上也比较接近。转子作为永磁体,定子通过控制器产生旋转磁场来拖动转子旋转,在运行的过程中转子的转速与旋转磁场速度同步。永磁同步电机需要控制器产生三相纯正弦波合成圆形磁场来拖动转子磁极。而永磁直流无刷电机只需要控制器进行正确的电平换相产生多边形磁场拖动转子磁极旋转,这也导致直流无刷电机与生俱来的低转速能感觉到抖动的缺点,目前这一缺点经过控制上的优化有多改进。这两种电机的材料结构特性使得电机在控制过程中更容易实现刹车、下坡情况下的能量回收能在一定程度上延长续航里程。这两种电机由于采用了高磁密度的稀土永磁材料,电机在运行过程中损耗小,整机效率会比交流异步电机高出很多,相同功率等级下机座型号也会小一些。

目前永磁同步电机在高速电动车上面应用的比较多,最具有代表的便是比亚迪秦,永磁直流无刷电机的使用最具代表性的是新大洋与众泰合作推出的知豆D系列车型。这两种电机的转子磁极都选用的是稀土永磁材料,稀土永磁材料可能会随着使用时间的增加存在退磁的风险,导致输出力矩减小,热损耗增加。特别是在低电压大电流环境中,长时间的工作、半坡驻车会导致电机内部温度过高影响电机寿命甚至严重退磁。这些客观存在的问题也是要经过时间的检验。

在微型电动汽车方面并没有大规模采用这两种型号的电机,其主要原因目前稀土永磁材料的价格偏高,整体来讲应用于汽车领域的永磁同步电机和永磁直流无刷电机价格相对于同等功率的交流异步电机要高出很多。对于价格因素比较敏感的微型电动汽车并没有充足的理由和时间来接纳这两种电机作为驱动电机。

结束语

从2010年开始到现在微型电动汽车一路走过风风雨雨,这一路充满质疑声,但是微型电动汽车在没有国家补贴的情况下依然顽强成长。亲民的价格,很低的使用成本,让微型电动汽车成爆发式的增长。老百姓对出行质量需求的提高是大势所趋,汽车走进千家万户更是综合国力提升,人民生活水平提高的大潮流。微型电动汽车经过短短5年的发展无论是在整车质量还是在核心部件的升级上都有了质的飞跃。核心部件的升级,新技术的应用,证明微型电动汽车是有强大生命力的。在未来微型电动汽车极有可能就是我国下一波汽车工业浪潮风口。


作者:丞相本布衣

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资深电动汽车人士,某基金新能源投资方向独立咨询顾问,多家电动汽车技术顾问。熟悉市场技术发展趋势,熟悉电动汽车电机驱动,充电设备。


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