關于新能源汽車電動機性能的分析

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上傳日期: 2021-01-20

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標簽:驅動電機(93)電動汽車(6709)

作者:牛銘超

來源:《科學與財富》2018年第30期

摘要:驅動電機系統是電動汽車的關鍵技術之一。本文對電動汽車的幾種典型驅動系統進行了定性分析,對它們的性能進行了比較,指出了它們各自的優缺點。

人類與環境共存和全球經濟的可持續發展使人們迫切希望尋求到一種低排放和有效利用資源的交通工具,使用電動汽車無疑是一種很有希望的方案。

現代電動汽車是融合了電力、電子、機械控制、材料科學以及化工技術等多種高新技術的綜合產品。整體的運行性能、經濟性等首先取決于電池系統和電機驅動控制系統。

典型的電動汽車驅動系統,由電池供電給逆變器,通常會有一個變速箱來帶動整個車輛。這個控制系統帶有傳感器,控制器現在都發展成數字化,電動機的變化不是很多。與工業應用相比,汽車應用是個不同的概念。工業應用空間不受限制,用標準封裝模式來應用還是可行的,但是對于汽車應用來講,空間是有限的,每一套系統都根據特定車型來訂制,尤其混合動力汽車體現非常明顯。在可靠性方面,工業應用可靠性很高,但是不管從哪方面講,工業應用的等級還是不如汽車應用,因為他們的目的是不同的。在工業應用中,主要是保證應用效率的可靠性,但是在汽車應用中,電動機應用系統的可靠性涉及到乘車者的安全,所以可靠性要求非常高。冷卻方式上工業應用是風冷,汽車應用是水冷。控制性能方面工業應用多為變頻調速控制,其動態性能差,而汽車應用里,需要精確的力矩控制,動態性能好。

目前車用電驅系統的發展趨勢主要有永磁化、數字化和集成化。

永磁磁阻電動機效率高,比功率較大,功率因數高。數字化是電驅驅動系統的核心。電動機系統集成有兩種方式,一種是電動機跟發動機結合,一種是電動機跟變速箱結合。還有一種趨勢是做電力電子的集成,現在驅動控制器產品中,國際最高水平是17.2kW。采用混合電力電子集成技術,核心是采用高功能集成模塊,采用新型薄膜電容一體化的技術。

電動汽車的電機驅動系統一般由4個主要部分組成,即控制器、功率變換器、電動機及傳感器。電驅動系統式電動汽車(EV)和混合電動汽車(HEV)的心臟。電動機將電能轉化成機械能推動車輛,或反之將機械能轉化為電能進行再生制動和對車載儲能裝置充電。目前電動汽車中使用的電動機一般有直流電動機、感應電動機、開關磁阻電動機以及永磁無刷電動機等。

一、電動汽車對電動機的基本要求

電動汽車的運行,與一般的工業應用不同,非常復雜。用于電動汽車的電動機通常要求頻繁地起動和停車、高變化率的加速度/減速度、高轉矩且低速爬坡、低轉矩而高速行駛以及非常寬的運行速度范圍。因此,對驅動系統的要求是很高,主要由以下特點:

1.1電動汽車用電動機應具有瞬時功率大,過載能力強、過載系數(應為3~4),加速性能好,使用壽命長的特點。

1.2電動汽車用電動機應具有寬廣的調速范圍,包括恒轉矩區和恒功率區。在恒轉矩區,要求低速運行時具有大轉矩,以滿足起動和爬坡的要求;在恒功率區,要求低轉矩時具有高的速度,以滿足汽車在平坦的路面能夠高速行駛的要求。

1.3電動汽車用電動機應能夠在汽車減速時實現再生制動,將能量回收并反饋回蓄電池,使得電動汽車具有最佳能量的利用率,這在內燃機汽車上是不能實現的。

1.4電動汽車用電動機應在整個運行范圍內,具有高的效率,以提高1次充電的續駛里程。

另外還要求電動汽車用電動機可靠性好,能夠在較惡劣的環境下長期工作,結構簡單適應大批量生產,運行時噪聲低,使用維修方便,價格便宜等。

二、電動汽車用電動機的種類和控制方法

2.1直流電動機

有刷直流電動機被廣泛用于要求轉速可調、調速性能好,以及頻繁起動、制動和反轉的場合。它的主要優點是控制簡單、技術成熟,具有交流電機不可比擬的優良控制特性,已廣泛用于不同的電力牽引應用系統中。在早期開發的電動汽車上多采用直流電動機,即使到現在,還有一些電動汽車上仍使用直流電動機來驅動。但由于存在電刷和機械換向器,不但限制了電機過載能力與速度的進一步提高,而且如果長時間運行,勢必要經常維護和更換電刷和換向器。另外,由于損耗存在于轉子上,使得散熱困難,限制了電機轉矩質量比的進一步提高。鑒于直流電動機存在以上缺陷,在新研制的電動汽車上已基本不采用直流電動機。

2.2交流三相感應電動機

2.2.1交流三相感應電動機的基本性能

交流三相感應電動機是應用得最廣泛的電動機。其定子和轉子采用硅鋼片疊壓而定子之間沒有相互接觸的滑環、換向器等部件。結構簡單,運行可靠,經久耐用。交流感應電動機的功率覆蓋面很寬廣,轉速達到12000~15000r/min。可采用空氣冷卻或液體冷卻方式,冷卻自由度高。對環境的適應性好,能夠實現再生反饋制動。與同樣功率的直流電動機相比較,效率較高,質量減輕一半左右,價格便宜,維修方便。

2.2.2交流感應電動機的控制系統

由于交流三相感應電動機不能直接使用蓄電池供給的直流電,另外交流三相感應電動機具有非線性輸出特性。因此,在采用交流三相感應電動機的電動汽車上,需要應用逆變器中的功率半導體器件,將直流電變為頻率和幅值都可以調節的交流電來實現對交流三相電動機的控制。主要有v/f控制法、轉差頻率控制法。

用矢量控制法,對交流三相感應電動機的勵磁繞組交流電的頻率和輸入交流三相感應電動機的端調控制,控制交流三相感應電動機旋轉磁場的磁通量和轉矩,實現改變交流三相感應電動機轉速和輸出轉矩,來滿足負載變化特性的要求,并能夠獲得最高效率,從而使得交流三相感應電動機能夠在電動汽車上得到廣泛應用。

2.2.3交流三相感應電動機的不足

交流三相感應電動機的耗電量較大,轉子容易發熱,在高速運轉時需要保證對交流三相感應電動機的冷卻,否則會損壞電動機。交流三相感應電動機的功率因數較低,使得變頻變壓裝置的輸入功率因數也較低,因此需要采用大容量的變頻變壓裝置。交流三相感應電動機的控制系統的造價遠遠高于交流三相感應電動機本身,增加了電動汽車的成本。另外,交流三相感應電動機的調速性也較差。

2.3永磁無刷直流電動機

2.3.1永磁無刷直流電動機的基本性能

永磁無刷直流電動機是一種高性能的電動機。它的最大特點就是具有直流電動機的外特性而沒有機械式換向器和電刷組成的機械接觸結構,因此機械摩擦損耗低,效率高。加之,它采用永磁體轉子,沒有勵磁損耗,即發熱的電樞繞組裝在外面的定子上,散熱容易,因此,永磁無刷直流電動機沒有換向火花,沒有無線電干擾,壽命長,運行可靠,維修簡便。此外,它的轉速不受機械換向的限制,如果采用空氣軸承或磁懸浮軸承,可以在每分鐘高達幾十萬轉運行。永磁無刷直流電動機機系統相比具有更高的能量密度和更高的效率,在電動汽車中有著很好的應用前景。

2.3.2永磁無刷直流電動機的控制系統

典型的永磁無刷直流電動機是一種準解耦矢量控制系統,由于永磁體只能產生固定幅值磁場,因而永磁無刷直流電動機系統非常適合于運行在恒轉矩區域,一般采用電流滯環控制或電流反饋型SPWM法來完成。為進一步擴充轉速,永磁無刷直流電動機也可以采用弱磁控制。弱磁控制的實質是使相電流相位角超前,提供直軸去磁磁勢來削弱定子繞組中的磁鏈。

2.3.3永磁無刷直流電動機的不足

永磁無刷直流電動機受到永磁材料工藝的影響和限制,使得永磁無刷直流電動機的功率范圍較小,最大功率僅幾十千瓦。永磁材料在受到振動、高溫和過載電流作用時,其導磁性能可能會下降或發生退磁現象,將降低永磁電動機的性能,嚴重時還會損壞電動機,在使用中必須嚴格控制,使其不發生過載。永磁無刷直流電動機在恒功率模式下,操縱復雜,需要一套復雜的控制系統,從而使得永磁無刷直流電動機的驅動系統造價很高。

2.4開關磁阻電動機

2.4.1開關磁阻電動機的基本性能

開關磁阻電動機是一種新型電動機,該系統具有很多明顯的特點:它的結構比其它任何一種電動機都要簡單,在電動機的轉子上沒有滑環、繞組和永磁體等,只是在定子上有簡單的集中繞組,繞組的端部較短,沒有相間跨接線,維護修理容易。因而可靠性好,轉速可達15000r/min。效率可達85%~93%呢,比交流感應電動機要高。損耗主要在定子,電機易于冷卻;轉子元永磁體,調速范圍寬,控制靈活,易于實現各種特殊要求的轉矩一速度特性,而且在很廣的范圍內保持高效率。更加適合電動汽車動力性能要求。

2.4.2開關磁阻電動機的控制系統

開關磁阻電動機具有高度的非線性特性,因此,它的驅動系統較為復雜。它的控制系統包括功率變換器、控制器和位置傳感器

a.功率變換器

開關磁阻電動機的勵磁繞組,無論通過正向電流或反向電流,其轉矩方向不變,期換向,每相只需要一個容量較小的功率開關管,功率變換器電路較簡單,不會出現直通故障,可靠性好,易于實現系統的軟啟動和四象限運行,具有較強的再生制動能力。成本比交流三相感應電動機的逆變器控制系統要低。

b.控制器

控制器由微處理器、數字邏輯電路等元件組成。微處理器根據駕駛員輸入的命令,同時對位置檢測器、電流檢測器所反饋的電動機轉子位置,進行分析、處理,并在瞬間做出決策,發出一系列執行命令,來控制開關磁阻電動機適應電動汽車不同條件下運行。控制器性能好壞和調節的靈活性,取決于微處理器的軟件和硬件的性能配合關系。

c.位置檢測器

開關磁阻電動機需要高精度的位置檢測器,來為控制系統提供電動機轉子的位置、轉速和電流的變化信號,并要求有較高的開關頻率以降低開關磁阻電動機的噪聲。

2.4.3開關磁阻電動機的不足

開關磁阻電動機的控制系統比其他電動機的控制系統復雜一些,位置檢測器是開關磁阻電動機的關鍵器件,其性能對開關磁阻電動機的控制操作有重要影響。由于開關磁阻電動機為雙凸極結構,不可避免地存在轉矩波動,噪聲是開關磁阻電動機最主要的缺點。但近年來的研究表明,采用合理的設計、制造和控制技術,開關磁阻電動機的噪聲完全可以得到良好的抑制。另外,由于開關磁阻電動機輸出轉矩波動較大,功率變換器的直流電流波動也較大,所以在直流母線上需要裝置一個很大的濾波電容器

三、電動汽車采用的各種驅動電動機性能比較

電動汽車在不同的歷史時期采用了不同的電動是采用了控制性能最好和成本較低的直流電動機。隨著電機技術、機械制造技術、電力電子技術和自動控制技術的不斷發展,交流電動機,永磁元刷直流電動機和開關磁阻電動機顯示出比直流電動機更加優越的性能,在電動汽車上,這些電動機逐步取代了直流電動機。目前交動機、永磁電動機和開關磁阻電動機以及它們的控制裝置,成本還比較高,形成批量生產以后,這些電動機和單元控制裝置的價格會迅速降低,將能夠滿足經濟效益的要求,并使電動汽車整車價格降低。

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