健科電子深耕車用無刷直流電機驅動技術
——成果斐然

2021-03-31 08:45:22

汽車電器 2021年3期

1 汽車BLDC 電機市場正在悄然興起

近年來，隨著汽車電子控制技術的不斷成熟，對汽車舒適性、安全性的要求也在提高，控制系統中用于動作執行及行程控制的部件-車用微電機的應用越來越廣，而無刷直流電機（BLDC）也因其更加高效低噪可靠的特性在汽車上得到廣泛的應用，且市場成長迅速。

有刷直流電機示意圖

無刷直流電機示意圖

BLDC 相較有刷直流電機具有更快的速度、更高的效率、更低的噪音和更高的運行可靠性，但同時也需要復雜的電子控制。在電子控制技術日趨完善的今天，無刷直流電機市場得到了迅速擴展，除了傳統車燃油泵、冷卻水泵、HVAC 鼓風機和電子風扇之外，尤其在自動駕駛及新能源汽車上，更是得到了廣泛應用：如MCUEMS電池系統的風冷系統，和水冷系統中的電子水泵，空調系統的電子壓縮機，制動助力用的電子真空泵，以及AFS、座椅調節和電動助力轉向EPS 等。

2 汽車BLDC 電機的競爭格局

從市場趨勢來看，亞洲由于日本的帶領而發展迅速;日本和中國是亞洲無刷電機生產的主要國家，日本由于其技術居前，在全球多個地區和國家都布局了無刷電機的廠商，主要生產高端無刷電機產品。中國前些年由于原材料和人力資源的優勢，無刷電機也開始迅速發展起來，但是由于起步較晚，無刷電機技術基礎普遍較低，所生產的無刷電機大多以中低端產品為主。隨著中國的節能電機補貼政策的出臺和技術的進步，中國的無刷電機市場將會進一步擴大。

對于歐洲，由于起步較早，許多歐洲國家如德國、瑞士等掌握著無刷電機技術的核心技術，隨著全球市場對于高端無刷電機的需求增多，歐洲的無刷電機所占比例將會維持緩慢上升趨勢。

近年來，以博世、麥格納、大陸、德爾福等為代表的汽車零部件研發巨頭，在汽車控制電機產業通過研發積累了大量的成果，構筑了這個領域的壁壘。在電子水泵方面主要以200W、400W、500W等功率較大電子水泵為主和部分100W以下輔助電子冷卻水泵，其豐富的量產經驗和成熟的可靠性設計是占據市場的最大優勢，目前占據量產汽車電子水泵市場超過80%的份額，大量應用于寶馬、奧迪、大眾、奔馳等高端車型中。但國內也涌現出如江蘇超力、健科電子等優秀的無刷電機研發和制造企業，自主開發成功了轉向助力無刷電機，無刷電機風扇及電子水泵等可以與國際品牌競爭的無刷電機產品。健科電子在無刷電機風扇及水泵控制方面處于國內前列。

根據GrandviewResearch 發布的數據顯示，亞洲市場以46.94%的市場規模占據全球首位，其次是美國，占比21.08%。

全球BLDC 電機行業市場地區分布（單位%）

根據市場公開的資料，2020 年全球無刷直流電機的市場規模為195.5 億美元，樂觀的市場研究機構預計未來五年，市場將會以13%的年復合增長率持續增長。而中國2020 年市場規模約為392 億元，并將以15%的年復合增長率持續增長，這個市場都非常值得期待。

3 BLDC 電機的發展趨勢

1955 年美國工程師提出了用晶體管換向代替機械電刷，標志著無刷直流電動機雛形的形成，1978 年，原西德Mannesmann 公司在漢諾威貿易博覽會上推出了方波無刷直流電動機及其驅動控制系統，無刷直流電機真正進入實用階段。其后，出現了采用120°電角度的新型換向方式，以及無位置和無電流傳感器的新型控制方案，只需采集功率開關器件的端電壓即可完成換向控制，并且可以通過占空比來控制電機的轉速。隨著單片機技術的發展，各種不同類型的單片機芯片被應用于各種無刷直流電機的控制中，根據不同的用途，可以編寫不同的程序以達到不同的控制方式來滿足其工作要求，并可針對每一種工況，選擇最優的控制方式。另外電機電控一體化的發展趨勢以及電機控制專用芯片的推出，大大提高了電子換向裝置的可靠性和成本的降低，使無刷電機成為目前電機應用領域的主流。

帶感BLDC 控制框圖

隨著無刷直流電機在各領域的廣泛應用，其發展有以下幾個方向：一是無位置傳感器控制技術，位置傳感器在無刷直流電機中的使用不僅會增加電機結構的復雜程度，還會增加電機的成本，因此人們開發出了通過采集電機的反電動勢來獲取轉子位置信息的算法，取代了位置傳感器的作用。二是無刷直流電機控制器的研究，其主流方向是將智能控制和 PID 控制算法結合起來，形成新型控制算法，包括模糊控制、基于遺傳算法的控制、基于神經網絡的控制等。三是驅動電路的MOSFET管有被碳化硅器件替代的趨勢。在構成方面趨于電機控制單元（MCU）+電機集成為動力包（PowerPack）的系統方案。另外針對自動駕駛以及電動智能車的功能安全保障，具有故障失效安全的冗余雙繞組電機的開發也在研發試制階段，引領行業潮流。

無感BLDC 控制框圖

4 健科電子深耕車用無刷直流電機驅動技術，成果斐然

健科電子有限公司（簡稱健科）無刷直流電機控制器經過多年的發展，通過與國內知名高校和研究所、國內外知名芯片公司合作，在無刷直流電機控制器的軟硬件開發、車載產品性能測試驗證以及團隊研發能力的培養方面進行了廣泛長期的合作。基于多款產品的成功應用，健科電子控制器已擴展車內多種關鍵核心控制系統，包括發動機冷凝風扇、蒸發風機、除霜器、電池管理系統冷卻風扇、鼓風機、燃油泵、機油泵、水泵、廢氣閥、車窗升降器、雨刮等。

健科具有近5 年的無刷電機控制器開發經驗。在控制器硬件設計上，通過選擇國際上最先進的Infineon，ST，ON，Microchip 等汽車級別芯片，能滿足車內復雜的工作環境，提高可靠性，同時利用健科電子自己的電器性能實驗室、EMC 實驗室和噪聲實驗室，對產品進行多達36 項性能測試。針對不同的產品有不同的算法實現方案，如：方波控制、矢量控制、順逆風啟動控制、恒轉速控制、恒功率控制、恒轉矩控制、弱磁控制、紋波防夾控制、快速響應PID 控制等。健科電子注重軟硬件和結構的協同開發，目前可以做到控制器效率達到98%以上以及控制器的熱仿真的實際指導應用。

健科FOC 控制技術

健科布局車用電子水泵總成，使用自主開發的BLDC 控制器，其控制器產品已在寶馬、奔馳和豐田水泵產品上實現系列覆蓋。依托完整的軟件、硬件、結構、仿真、試驗驗證能力和全自動生產線，助力制造高品質車用電子水泵。

健科汽車電子水泵

電子水泵仿真

健科研發團隊通過研究國內外主流方案，引進高校最新研究方案，同時對標國際先進產品的基礎上進行自主創新研發，使得公司在無刷直流電機軟硬件在汽車產品的應用，軟件控制各類核心算法，通信協議，電氣性能測試，EMC 兼容仿真和實驗等研究形成了自己的核心能力，具備了正向開發高性能無刷直流電機控制器的能力，引領中國車用無刷直流驅動科技。

5 健科電子有限公司企業簡介

健科電子2003 年創立于深圳，目前在深圳和長沙設有兩家子公司和生產基地，公司一直專注汽車電子相關產品的技術研發及產業化，為全球OE 及售后市場提供多樣式、定制化的汽車電子產品。公司擁有全球領先的供應鏈資源，并與全球知名半導體供應商建立了戰略合作關系。

健科電子以研發為核心、市場為導向、產品制造為基礎的管理體制，年投入銷售額的5%用于產品的研發和創新，同時具備芯片研發、Bonding、塑封、SMT等核心技術，以契合不斷變化的市場需求，確保在不斷變革的汽車行業中始終保持核心競爭力和地位。

深圳市健科電子有限公司作為國內汽車點火模塊的領軍者，產品適用于美歐日韓及國內主流車型，年生產能力5000 萬臺（套），是深圳市戰略性新興產業、國家級高新技術企業，并通過了IATF 16949、ISO 14001、OHSAS 18001 等系列認證。

長沙市健科電子有限公司于2017 年成立，位于長沙市國家級望城經濟技術開發區，占地面積26855 ㎡，廠房面積35765 ㎡。公司專注于車用微電機控制器、傳感器、車身電子、ECU、BCM 的研發生產和銷售。