电动汽车用驱动电机的发展现状

电动汽车用驱动电机的发展现状

0电机驱动系统的应用前景基于电动驱动的电动汽车是一种基于能源和环境的绿色交通工具。它不仅具有独特的能源和环境优势，而且能够利用现代控制技术实现能源和环境一体化的目标。因此，它具有广阔的发展前景。电机驱动系统由电动机、功率转换器和电源组成,电机驱动系统是电动汽车的心脏,是动力源,又是决定汽车运行各项性能指标的主体与内在根据,因此,电机的选择与确定是非常重要的。目前,电动汽车电机主要有直流电机、感应电机、永磁无刷电机以及开关磁阻电机等。1驱动电机系统设计原则电动汽车驱动电机除了一般行走机械的电气特性外,还有其特殊的电气特性。电动汽车既能高速行驶,又能上下坡,快速加速,良好的制动性能,还要考虑汽车平顺性、舒适性的要求,确保驾驶员的行车安全。总之,电动汽车要满足汽车应有的各种性能,因此设计电动汽车轮毂驱动电机系统要满足以下几点:(1)瞬时功率大,过载能力强(过载系数应为3~4),加速响应快;(2)调速范围广,既能满足爬坡的低速要求,又能满足汽车在较平路面上行驶的高速要求;(3)密封性好,可靠性高;(4)制动能量回收率、电能转化效率高;(6)功率密度、转矩密度高,克服轮毂空间限制。2电动汽车的应用2.1永磁式电机的系统在早期开发的电动汽车上多采用直流电机。由于直流电机的研制比较早,所以制造技术较为成熟,现在通过斩波技术就可以实现直流电机的调速,控制装置简单,成本低。在电动汽车(ElectricVehicle,EV)上,最常采用的是他励直流电机和串励直流电机。他励直流电机的定子和转子线圈可以分别用不同的电源供电,这样就可以采用两个独立的电源,避免两个通电线圈之间的相互影响,通过简单地控制他励直流电机可以实现同一转子结构的永磁式电机性能,具有良好的线性特性和稳定输出特性,通过调节输入电流的大小调节磁场强度,调速范围广。串励式直流电机通过定子和转子的电流相同,当输入的电流增加时,定子和转子的磁场同时增加,转矩与电流的平方成正比,因此转矩增加的幅度较大,起动转矩高,有较好的起动特性,适合在牵引领域应用。但由于直流电机存在换向器和电刷,它们之间有机械磨损,需要定期维护,在高速旋转时电刷与换向器之间易产生火花,限制了电机的转速。换向器和电刷之间的机械损耗、接触损耗、以及电损耗使得直流电机的效率较低,由于损耗存在于转子上,使得散热困难,温升增高,质量重,体积大,限制了电机转矩/重量比的进一步提高。因此直流电机在现代高性能电动汽车上的应用正在减少,但仍有一些电动汽车在应用。如日本东京大学UOT电动汽车,马自达汽车公司的BANGO电动汽车,意大利菲亚特公司的900E/E2电动汽车,我国山东陆骏电动汽车有限公司生产的陆骏电动汽车等。2.2电动助力系统20世纪90年代后,随着电力电子技术和变频调速的发展,交流电机在电动汽车上的应用得到迅速发展。电动汽车上应用较为成熟的是三相鼠笼式异步电机,简称感应电机。感应电机结构简单,运行可靠,经久耐用,价格低廉。感应电机的功率可以从零点几瓦到几千瓦,最高转速可达10000~12000r/min。可以采用空气冷却和液体冷却方式,对环境适应性好,并且能够实现再生制动。与同样功率的直流电机相比,效率高,质量轻,因而近年来在电动汽车驱动系统中得到广泛应用。如美国克莱斯勒汽车公司的A-ClassElectric电动轿车,日本Nissan汽车公司的FEV电动轿车,法国雷诺汽车公司的ClioElectric电动汽车等。在第22届北京国际车展上,荣威750混合动力汽车选用的是三相异步交流电机。但感应电机耗电量大、转子易发热,控制系统复杂,同时电动机的参数变化对控制性能有较大影响。相对永磁无刷电机而言,异步电机效率和功率密度偏低,感应电机正在逐渐被性能更加优越的永磁无刷电机代替。基于感应电机的特点,目前国内外对感应电机的研究热度持久不减。有研究者对感应电机的结构进行了改进,如有国外学者提出了一种新型感应电机—六相变极数感应电机。该电机结构基本同鼠笼转子感应电机的结构相同,只是改变了电枢绕组的接法,将原来三相感应电机相绕组分成了两套三相星接的绕组,由于改进方法简单,电机的其它结构基本无需改变,因此还可以用于旧三相感应电机的改造上。通过改变两套绕组电流的通电方式,既可实现极数控制,从而在母线电压不变的情况下,提高电机的转速。另外,这种绕组联结方式和控制方式可以大大削减直流母线上的谐波电流。但这种电机相数多,增加了逆变器中功率器件的数量,使逆变器的成本增加。2.3永磁同步电机驱动系统目前永磁无刷电机在电动汽车中得到一定的应用,其可分为两类:一类是具有正弦波电流的永磁同步电机(PMSM),另一类是具有矩形脉冲波电流的无刷直流电机(BDCM)。这两种电机在结构和工作原理上基本相同,转子都是永久磁体,电机转子不需要电刷和励磁绕组,通过定子绕组换相产生旋转转矩。比如无刷直流电机,通过由固态逆变器和转子位置检测器组成的电子换向器实现定子的换相,位置传感器用来检测转子在运动过程中的位置,并将位置信号转换为电信号,保证各相绕组的正确换流。永磁同步电机比功率大,效率高,在电动轿车上占有优势。尤其在日本得到普遍应用,是日系电动汽车的主流驱动系统。如丰田汽车公司的Prius,本田汽车公司的CIVIC,Nissan的Altra都使用永磁同步电机。我国一汽集团、东风汽车的混合动力轿车、同济大学燃料电池轿车采用的都是永磁同步电机。在第22届北京国际车展上,广汽集团的增程型纯电动汽车传祺,奇瑞汽车集团的瑞麒M1EV、瑞麒REEV和华泰B11EV等都采用的永磁同步电机。永磁无刷电机可靠性高,输出功率大,与相同转速的其他电机相比体积小,质量轻,便于维修,高效率,高功率因数等特点。由于转子没有励磁绕组,无铜耗,磁通小,在低负荷时铁耗很小,因此,永磁无刷电机具有高的“功率/质量”比,可以高速运转,同时由于没有转子的磨损且定子绕组是主要的发热源,易于冷却。转子电磁时间常数较小,电机的动态特性好,其极限转速和制动性能等都优于其它类型的电机。永磁无刷电机的控制系统要比感应电机的控制系统简单,价格便宜。但永磁无刷电机受到永磁材料工艺的限制和影响,使得永磁无刷电机的功率范围较小,一般最大功率为几十千瓦,同时永磁材料在高温、振动和过高电流作用下,会发生磁性衰退现象,降低永磁无刷电机的性能。由于电机永久性磁场的存在,使恒功率范围时电机的控制较为困难;在无载荷的情况下,会发生磁性衰退现象,降低永磁无刷电机的性能。永磁无刷电机最适合应用在电动汽车上,因此,国内外各研究机构对该电机的研究力度逐渐加大。内嵌永磁体无刷直流电机是一种新型的无刷直流电机,这种电机在转子铁芯上开有与极数相同的燕尾槽,将永磁体嵌入其内,永磁体与相邻的铁芯凸极构成一个磁极,这种电机同时具备无刷直流电机和串励直流电机的特性。通过调节超前导通角,可以实现恒功率运行,通过优化控制超前角还可以优化电机的效率,从而得到较宽的恒功率运行区以及较高的效率。2.4sr电机控制研究20世纪80年代,研究者就开始设计用于电动汽车驱动的开关磁阻(SR)电机。与传统的交流电机不同,SR电机为双凸极结构,并且只在定子上安装有集中励磁绕组,转子上既没有永久磁铁,也没有绕组。在较宽的调速范围内,转矩、速度可灵活控制,并有较高的起动转矩和低的起动功率的机械特性,转矩—转速特性好。SR电机的结构能实现比同级别感应电机速度更高的操作控制,有比感应电机和永磁无刷电机更高的“输出功率/质量”比和“输出转矩/转动惯量”比。SR电机转子上没有励磁绕组和永磁体,因此结构简单坚固,可靠性高,质量轻,便于维修,成本低,同时效率可达到85%~93%,转速可达到15000r/min以上。但是SR电动机的控制系统包括微处理器、位置传感器和电流传感器等电子器件,控制系统复杂。SR电机存在噪声和转矩波动问题,在电动汽车上的应用受到限制,国内外对SR电机的研究主要集中在消除噪声和转矩波动上,无位置传感器的研究也将是SR电机研究的热点。永磁开关磁阻电机是最近研制出的一种新型SR电机。该电机是在SR电机定子轭上加装永磁体,进而减少定子的励磁安匝,提高效率。电机采用Split-winding的控制方法,即将定子绕组分成若干段,根据不同运行工况分别投入。这种控制方式类似于汽车中的换挡控制,在低速需要大转矩时将绕组100%投入;在高速恒功率运行时,只投入部分绕组,这时不仅感应电动势小,相感应也减小,从而比只降低磁通控制时获得了更大范围的运行区。同时由于高速时只有部分绕组通电,减小了电机的铜损,提高了效率。综上所述,电动汽车常用电机的典型参数比较如表1。3稀土永磁电机在轮毂驱动电机中的应用通过对各种驱动电机比较发现:高速电机不能直接驱动,需加装减速机构,从而影响了电机的效率,而低速直流电机效率低、体积大,异步电机和SR电机相对稀土永磁电机来说,效率和功率密度都