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电动汽车推进技术现状及未来发展趋势
摘要：在本文中，回顾了电力、电动机和电力电子系统的主要电力推进组件的现状和要求。介绍了电动推进系统的未来发展趋势，电池充电以及动力传动系的类型。 还讨论了可能的未来基于锂空气电池和插电式燃料电池车辆的电动
汽车动力总成系统。
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，推进。
- 介绍
电动汽车（EVs）自18世纪末以来一直存在。 他们非常受欢迎，直到大约1918年出售了许多电动汽车。例如在1900年，大约4200辆汽车在路上，其中38％是电动汽车，22％是汽油动力，40％是蒸汽。 随着汽油发动机，低成本汽油，以及内燃机电动起动器的发明，电动汽车的利润完全下降。 尽管如此，一些汽车公司通过试验不同类型的推进电机，能量存储系统，还结合了先进的电力转换技术，继续致力于EV技术的研究和进步。
在阿拉伯石油禁运期间（1973 - 1974年），电动汽车的发展活动被推到了前列。 然而，20世纪70年代末汽油价格下跌时，电动车活动再次下滑。 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电动车原型）出于对空气质量的关注而在20世纪90年代初被开发。 IMPACT设计基于先进的推进系统技术，设计适合批量生产[1]，[2]。 这项技术进一步改善，90年代中期，通用汽车将EV1车型实现了商业化。 EV1是一种基于铅酸蓄电池的电池驱动型电动车，感应电动机作为推进电机。 该车于1996年产生，是由主要汽车制造商首批批量生产的电动汽车，而首款通用汽车从一开始就设计为电动汽车。由于铅酸蓄电池的范围有限，在1999年，通用转换为提供更长距离但成本更高的镍氢（NiMH）电池。 在九十年代，其他汽车公司也在开发电动汽车。例如，在1996年，丰田开发了两门和四门RAV4的纯电动版本。 1996年9月在日本出售，1998年在美国出售[3]。 从1996年到2003年，丰田汽车公司销售了第一台RAV4 EV的约1900台。 目前，许多第一代RAV4电动车仍然在路上。 随着1997年丰田公司推出的普锐斯混合动力汽车及其商业可行性，对纯电动汽车的兴趣再次下降。 纯电动汽车的重点已经转移到主要由非传统汽车公司追求的邻里车辆和其他城市车辆，如Think Global，Fiskar等。
2003年，特斯拉汽车公司宣布开发纯电动汽车。 特斯拉跑车是2008年至2012年之间由加州特斯拉汽车公司生产的电池电动车[4]，[5]。 2012年9月，全球售出了2400多台。“跑车”是首款使用锂离子电池的生产汽车，第一台每次充电运行超过200英里的电动车。 丰田和特斯拉汽车公司共同宣布全电动2013年丰田RAV4 EV的发展，声称是世界上最符合空气动力学的SUV [6]。 预计可以从完全充电达到100英里的平均范围，并可以使用240 V / 40-A充电器在6小时内完成充电。 今天，诸如特斯拉模型S，日产叶，三菱i-MiEV等的其他电动车也可获得。
在过去十年中，插电式混合动力电动汽车（PHEV）在北美和其他国家引起越来越多的兴趣。 插电式混合动力车可以是串联或并联混合动力，其电池通过将其通过充电器连接到EV中的外部电源而恢复到完全充电。 与典型的最先进的HEV电池相比，这需要相对较高的容量的电池。 此外，除了典型的完整的HEV动力总成配置之外，还需要明显的改进，才能正确处理增加的热管理系统负载以及与插件式HEV使用相关的其他因素。随着电池容量更大，5-15 kWh，PHEV可以在纯EV模式下进行短距离驱动。 在混合模式下，电池用作电动助力。 因此，PHEV电池需要能量和功率性能，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。 通用汽车的雪佛兰Volt，丰田Prius以及福特C-Max Energi都是市面上随处可见的一些PHEV。 其他汽车制造商也计划在不久的将来商业化PHEV。
图1. EV动力总成的典型推进系统部件
电动车所需的关键子系统是推进系统，其提供了推动车辆的牵引力。电动车中的推进系统由能量系统，功率转换器，推进电机及相关控制器组成，如图1所示。 电池是最广泛使用的储能系统，电池充电器是EV系统的组成部分。 在本文中，讨论了电动汽车推进的当前技术和未来趋势。 这些技术趋势同样适用于混合动力和插电式混合动力车辆
二、电机
电机将由电池供应的能量转换为机械能，以向车轮提供牵引力。带控制器的电机决定了推进系统的特性和功率转换器功率器件的额定值。 推进电机的主要要求是坚固耐用，转动惯量比大，扭矩密度大，速度范围宽，噪音低，维护少，维护少，体积小，易于控制，成本低等优点。为了汽车推进研究了几种类型的电机技术，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都使用感应或PM机器进行推进。 汽车制造商和供应商显着改进了电动和混合动力车辆中使用的电机技术。 特斯拉跑车感应电动机峰值功率密度是GM EV1中使用的感应电动机的两倍以上。目前，内部永磁（IPM）同步电动机由于其高效率，高扭矩，高功率密度以及相对易于弱化的操作而广泛应用于汽车推进中。 丰田普锐斯，福特Escape和雪佛兰Volt是使用IPM机器的一些车辆。 虽然目前在大多数电动和混合动力车辆中使用基于IPM的电动机，但是对稀土类磁体的可用性以及成本的增加是非常关注的。一些公司和研究人员
致力于开发不使用PM而实现与IPM电机相同性能的电机。 至少有四个选择可以实现。
- 感应电动机
感应电动机在过去的几种类型的电动车中被使用，包括通用汽车EV1，具有相当好的性能。它们也被用于特斯拉电动车，如跑车，型号S和丰田/特斯拉RAV4。 更多的研究开发，提高工作电压，使用铜笼式转子，并为给定应用量身定制设计，可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）本质上是一个从变频器驱动的方波单极电流运行的同步电机。 扭矩由转子凸极和脉冲电流产生。机器相位和无PM的磁性和电气独立性提供了容错性，并提高了可靠性。 转子的机械完整性允许高速和高功率密度的操作。 SRM具有最简单的机械设计，但这些机器在操作过程中通常是非常嘈杂的; 它们具有更高的扭矩脉动，更低的效率和更大的尺寸和重量（比PM机），并且设计不像感应或PM机器那样先进。 汽车公司已经从20世纪90年代初开始尝试使用这些电动机进行EV推进。 由于与SRM相关的几个问题和IPM机器的进步，使用SRM对EV应用的兴趣下降。 然而，随着稀土磁体的成本飙升，再次强烈推动电动汽车应用的SRM技术。最近， John Deere引进了两台装有开关磁阻电机和发电机的柴油混合动力装载机。 在2012年1月日本，Nidec展出了开关式磁阻车辆牵引电动机，其成本最低，仍然达到接近IPM机器的性能。 其他几家公司也正在展示基于推进系统开关磁阻电机的电动车。
大量的研究工作正在进行，以减少开关磁阻（SR）机器中的转矩脉动和声学噪声。 正在进行的一个进展是引入了具有最大化配置的开关磁阻电机。 与传统的SR电机相比，它具有高扭矩密度，低惯量和更低的噪声。 电动机在电机内具有优化的磁流路径方案，提供传统SR机器的至少两倍的扭矩密度。 机器内部的两个定子取消了在正常操作期间将噪音最小化的径向力。 为了减小惯性，提出了一种壳型转子结构。 电机保持容错和扩展速度范围的能力，类似于常规的SR机器。
图2. 轴向层压同步磁阻电机。 图3. PM辅助同步磁阻电机
C 同步磁阻电机
同步磁阻电机（SynRM）技术结合了感应电机和PM电机的优点，并以同步速度运行。它提供感应电动机的坚固性; PM电机的尺寸，效率和同步速度运行，同时消除与PM技术有关的问题。 SynRM的定子类似于具有分布绕组的感应电动机或PM电动机。转子被设计成在一个方向上产生尽可能小的磁阻，并且在垂直方向上产生最高的磁阻。这些电机与异步电动机一样是容错的，因为当定子绕组不通电时，转子中没有电流。与具有不同的定子、转子和功率转换器的开关磁阻电机不同，控制策略与PM电机几乎相似。许多关于SynRM技术及其应用于电动车的论文发表了。由于与制造相关的一些问题，可控性和功率因数稍低，这些电机不适用于EV等应用。最近，ABB已经推出了这项技术，并已经为几种工业应用商业化。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。
同步磁阻电机的功率因数不理想仍然是不利的，因为它增加了电机驱动器的尺寸。 为了在该机器中实现高功率因数，需要较大的显著比。 这相对大的无功功率将导致逆变器的尺寸增加。 通过轴向和横向层压的SynRM转子结构可以实现显着的显着性。横向层压转子的有效显着比可以通过适当的放置，形状和数量的阻挡层来增强。 图2示出了现代的轴向层压转子。 这种类型的转子可以具有高的直轴电感Ld和低正交轴电感Lq，因此显着比可以高，以使SynRM在更好的功率因数。
D 、PM辅助同步磁阻电机
几位研究人员已经研究了在同步磁阻转子（图3）中添加少量PM以实现更高的功率因数。这种电动机类似于IPM机; 然而，相对于传统的IPM，所使用的PM的量和PM流的链接较小。 通过在转子铁芯中加入适量的磁铁，效率提高，而没有明显的反电动势，定子设计没有必要的改变。 由于机器过载和高环境温度，IPM中退磁是一个显着的问题，而不是PM辅助同步磁阻电机。 通过选择适当的永磁体量并进行适当的优化控制，PM辅助同步磁阻电机的性能可以与IPM机器的性能相似。 瑞士的Brusa在电动车应用中展示了PM辅助同步磁阻电机的版本。
采用先进的设计方法，控制策略，热设计方面和改进的制造工艺，可进一步提高同步磁阻电机和PM辅助同步磁阻电机的性能，并满足电动汽车推进电机的要求。
三、电力电子系统
电力电子是电动和混合动力车辆推进系统开发的一种先进的技术。电力电子系统由电力开关装置，电力转换器拓扑及其开关策略组成，电动机的闭环控制系统如图1所示。功率半导体器件，转换器/逆变器，控制和开关策略，单元封装和系统集成的选择对于高效和高性能车辆的开发非常重要。难度在于获得高效率，坚固耐用，体积小，成本低的逆变器以及用于控制三相电机的相关电子设备。器件和其他部件需要承受热循环和极端的振动。目前的所有电动车和混合动力电动车都采用三相桥式逆变器拓扑，将电池的直流电压转换为可变电压和可变频率，为三相交流电机供电。三相硬开关桥式逆变器是用于所有电动和混合动力车辆的拓扑结构。该拓扑结构简单而且经过验证，并且将继续是未来技术的不同类型的功率器件和相关的被动元件，用于滤波，电磁干扰（EMI）减少，保护等。
随着半导体器件技术的发展，市场上有几种具有不同程度性能的功率器件。 IMPACT使用两个三相逆变器，每个逆变器为前轮驱动感应电机供电。 每个逆变器具有并联的24个MOSFET，为逆变器的每相支路提供48个MOSFET（每个逆变器共144个MOSFET）。 这些48个MOSFET后来被一个单一的IGBT模块所取代，每条腿都有三个IGBT模块。 目前，几乎所有商业上可用的EV，HEV和PHEV都使用IGBT器件。 IGBT将是持续的技术，直到以碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）为基础的器件以商业上可获得的成本与硅IGBT相似。 这些设备在汽车和其他电力应用中的技术已经取得了显着的进步。
SiC已经成为大多数下一代功率半导体器件的选择，可以替代现有的硅技术。 SiC器件的先进功能是固有的耐辐射性，高温操作能力，高电压和功率处理能力，高功率效率和易于使用的基板。 SiC的各种特性，例如较宽的带隙，较大的临界电场和较高的导热性使得SiC器件能够在较高的温度和更高的电压下工作，提供比纯硅器件更高的功率密度和更高的电流密度。这些特性使得诸如肖特基二极管，MOSFET和其它器件之类的SiC器件在比硅器件高得多的电压电平下工作。然而，目前可用的碳化硅JFETS和MOSFETS匹配用于EV和HEV的硅器件的可靠性的技术不够成熟。这些设备也具有SiC BJTs的显着竞争性，这似乎在寿命测试，高温运行和温度循环方面提供了更高的可靠性，以及对冲击和振动的鲁棒性。
由于GaN器件具有优异的材料特性，例如高电子迁移率，高击穿场和高电子速度，因此GaN器件的性能比硅基器件具有显着更高的性能。基于GaN的功率电子器件具有低导通电阻和快速开关特性，导致导通和开关损耗显着降低。由于其与大容量硅晶圆厂的兼容性，GaN-on-Si技术平台可以大批量生产，具有卓越的性能和合理的制造价格。它比硅有更高的成本，但总是要比SiC低，因为GaN与硅衬底兼容。由于大多数推进逆变器的功率器件的直流额定电压要求为lt;1000V，所以与更高电压的SiC器件相比，GaN将更适用于EV。使用GaN电力电子技术可以实现系统级优势，如减小尺寸和重量，降低EMI产生，降低系统成本，使该技术对未来的电动和混合动力车辆可行。与SiC器件一样，在器件已经被证明为汽车规格的可靠性之前，GaN不会被采用。
图4. 通用推进逆变器的进展[通用汽车公司]。
在混合动力和电动汽车中部署宽带隙设备的潜在领域是：推进逆变器，车载电池充电器（EV和PHEV）以及用于将高电压转换为12V直流的dc-dc转换器。 这些器件具有较低的导通和开关损耗，从而在电子系统中提供更高的效率。 在推进式变频器中使用这些设备会降低单元的尺寸和重量，因为对于基于硅的功率转换器的相同额定值需要较低的冷却。 在HEV中，可以将功率转换器和电动机的冷却与在105℃下工作的发动机冷却剂回路相结合，从而减少到一个冷却剂回路，从而进一步降低重量和复杂性。
考虑到散热方面和可靠性，实现最高功率密度和紧凑型封装是在电动和混合动力车辆中成功部署电力电子系统的关键项目之一。 原来
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