纯电动汽车驱动电机系统

纯电动汽车驱动电机系统汇报人：XX2024-12-26引言电机主要性能指标直流电机无刷直流电机异步电机永磁同步电机目录CATALOGUE开关磁阻电机轮毂电机电机控制器驱动电机系统接口纯电动汽车传动系统参数匹配与性能仿真目录CATALOGUE01引言新能源汽车发展趋势市场需求增长随着环保意识的提高和石油资源的日益紧张，消费者对新能源汽车的需求持续增长，新能源汽车在全球范围内的市场份额逐渐扩大。技术创新推动科研机构和企业不断加大对新能源汽车技术的研发力度，取得了诸多创新成果，如电池技术的突破、电机控制系统的优化等，提高了新能源汽车的性能和竞争力。国家政策导向政府出台了一系列扶持政策，旨在推动新能源汽车行业的发展，包括提供购车补贴、建设充电设施等，为新能源汽车的普及创造了良好的政策环境。030201核心地位驱动电机系统是新能源汽车的核心部件之一，其性能优劣直接关系到整个车辆的性能表现，包括动力输出、行驶效率以及驾驶体验等方面。驱动电机系统重要性电机作用电机作为驱动电机系统的核心要素，负责将电能高效转换为机械能，驱动车轮旋转，进而推动新能源汽车平稳、快速地前进。系统集成度驱动电机系统的高度集成化设计，有效减少了部件数量，降低了整车重量，同时提升了系统的整体效率和可靠性，为新能源汽车带来了更加出色的性能表现。直流电机直流电机因其结构简单、技术成熟且控制方便，在早期的电动汽车中得到了广泛应用。特别是场地用电动车辆和低速电动汽车，直流电机展现出了良好的适应性。异步电机异步电机具有结构简单、制造容易、运行可靠等优点，在电力、船舶、化工等行业得到了广泛应用。在电动汽车领域，异步电机也占据了一席之地。无刷直流电机无刷直流电机在保留有刷直流电机优点的基础上，还实现了电子换向，克服了机械换向的缺点。体积更小、重量更轻，且具有高精度和高效率的特点。永磁同步电机永磁同步电机以其高效、高控制精度、高转矩密度等显著优点，在电动汽车驱动领域展现出巨大潜力，备受业界关注，成为最具竞争力的驱动电机系统之一。电机类型与应用02电机主要性能指标电机将电能转换为机械能，或反之，具相对运动部件，靠电磁感应运行。其性能直接影响电动汽车的驱动效能，涵盖最高车速、加速及爬坡性能等核心指标。电机功能电动汽车电机多样，含直流、无刷直流、异步、永磁同步及开关磁阻电机等。每种电机各具特色，适用于不同场景，共同推动电动汽车技术持续进步与发展。电机种类电机基本功能概述额定功率与转速额定功率：额定功率指的是电机在额定运行条件下，轴端所输出的机械功率。这个功率等级范围从1kW到160kW以上，功率等级为1kW、2.2kW、3.7kW、5.5kW等。额定转速：额定转速是指电机在额定运行（额定电压、额定功率）条件下，电机的最低转速。这个转速是电机稳定运行的重要参数，影响电动汽车的能效和性能。最高工作转速：最高工作转速是指电机在额定电压下，带载运行时所能达到的最高转速。这个转速直接影响电动汽车的最高设计速度，是电机性能的关键指标之一。额定转矩：额定转矩是指电机在额定功率和额定转速下的输出转矩。这个转矩是电机稳定运行的重要参数，影响电动汽车的加速性能和爬坡能力。峰值转矩是指电机在规定的持续时间内允许输出的最大转矩。这个转矩是电机短时间内的最大输出能力，反映电机的瞬间加速性能和爬坡能力。峰值转矩扭矩与电压规格堵转转矩是指转子在所有角位堵住时所产生的最小转矩。这个转矩是电机稳定运行的重要参数，保证电机在负载过大时仍能保持稳定运行。堵转转矩额定电压是指电机正常工作的电压。电机电源的电压等级较为多样，涵盖36V至600V等范围，电压选择需与电机设计相匹配，确保电机性能与安全性。额定电压额定电流是指电机在额定电压、额定功率条件下，电枢绕组（或定子绕组）的线电流。这个电流是电机稳定运行的重要参数，反映电机的负载能力和效率。额定电流电机效率电机效率是指电机在稳定运行条件下，输出功率与输入功率之比。这个效率是评估电机性能的重要指标，高效电机能有效减少能量损失，提高运行效率。电机温升电机振动与噪声电机运行特性分析电机温升是指电机在运行过程中，由于内部损耗转化为热能，导致电机温度升高的现象。温升需控制在一定范围内，以免影响电机的绝缘性能和寿命。电机振动与噪声是评估电机运行品质的重要指标。振动幅度和噪声水平需控制在合理范围内，以免对周围环境和电机自身造成不良影响。03直流电机直流电机分为绕组励磁式与永磁式，前者大功率应用广泛，后者小功率设备常用。电动汽车据此选择不同类型，实现高效与动力需求。直流电机分类他励、并励、串励及复励式直流电机，依据励磁方式多样区分。各类型电机性能各异，适用于电动汽车不同需求场景，实现动力与效率优化。励磁方式分类直流电机类型直流电机结构转子结构转子由电枢铁芯、绕组及换向器构成，铁芯叠压硅钢片，绕组绕制线圈，换向器导电流换向，三者协同实现直流电机能量转换与稳定运行。定子结构定子含主磁极、机座、换向极与电刷装置，主磁极建主磁场，机座为框架，换向极优换向，电刷装置引入引出电枢电流，共筑稳定高效电机系统。直流电机原理定子有N、S极，电枢绕组接换向片，正负电刷接触。通电产生力，使转子逆时针转。换向片作用关键，保电流交流但转矩方向不变。电流与转矩关系左手定则判断导体受力方向，形成转矩驱动转子。电流改变方向时，电磁力方向不变，确保转矩稳定，实现直流电机连续旋转。直流电机工作原理电枢回路电阻控制通过改变电枢回路电阻调速，机械特性软且不稳定，很少应用。小型串励电机常用此方式，需优化以提升性能与稳定性。电枢调压控制改变电枢端电压控制转速，恒转矩调速。需专用可控直流电源，如晶闸管整流器。调速范围宽，可配合磁场控制优化性能。磁场控制调节励磁电流控制转速，恒功率调速。适用于基速以上，效率高但范围窄。可变电阻或可控整流电源均可作为励磁电源，实现高效调速。直流电机控制方法04无刷直流电机直流电机特性无刷直流电机，依工作特性分为两类，一类保留直流电机特性，反电动势与供电电流均为矩形波，需位置传感器与电子换向器实现无接触换向。无刷直流电机类型交流电机特性另一类则展现交流电机特性，反电动势与供电电流均为正弦波，通过逆变器将直流电转换为交流电来驱动同步电机，具备同步电机的运行特性。直流电机特性应用主要是具有直流电机特性的无刷直流电机，保留了有刷直流电机的运行特性，同时克服了有刷直流电机机械换向的缺点，具备高效、高精度。电机本体由定子和转子组成，定子含导磁铁芯、导电绕组及绝缘材料等，转子则含永磁体、导磁材料及支撑零部件，共同实现能量转换与传动功能。01.无刷直流电机结构电子换向器电子换向器由功率变换电路和控制电路构成，控制定子绕组通电顺序和时间，确保定子磁场旋转与转子同步，实现无刷直流电机的自控运行。02.转子位置传感器检测转子磁极位置，为功率开关电路提供换向信息，控制定子绕组换向，确保电机正常运转，其种类包括电磁式、光电式和磁敏式。03.无刷直流电机工作原理基于位置传感器感知转子位置，驱动逆变器功率开关器件，使电枢绕组依次通电，产生跳跃式旋转磁场。电机工作原理随着电机转子的转动，转子位置传感器不断送出位置信号，改变电枢绕组的通电状态，保持某磁极下电流方向不变，使电机旋转。电流方向不变无刷直流电机工作原理有位置传感器控制在无刷直流电机定子上安装位置传感器检测转子位置，将磁极位置信号转换为电信号，为电子换向电路提供换向信息。无位置传感器控制无需安装传感器，通过检测定子电压、电流等物理量估算转子位置，实现无刷直流电机的控制，已成为研究热点。无刷直流电机控制无刷直流电机应用实例垃圾运输车性能垃圾运输车搭载无刷直流电机与72V电池，额定功率7kW，电池组容量180A·h，最高车速50km/h，最大爬坡度15%，满载续驶里程超120km。垃圾运输车应用无刷直流电机应用于纯电动桶装垃圾运输车，适用于城市、居民区、公园等场所的垃圾收集作业，具备大容量电池与高效电机。05异步电机定子部分定子含铁芯、绕组及机座，铁芯叠压硅钢片，绕组三相对称，机座支撑并散热，用铸钢或钢板焊成，大型用钢板，微型用铸铝，封闭式的有散热筋，防护式有通风孔。转子部分异步电机结构转子由铁芯、绕组和转轴构成，铁芯叠压硅钢片，绕组分笼式与绕线式，转轴支撑并输出机械功率，用中碳钢制成，定转子间气隙影响性能，中小型电机气隙0.2～2mm。0102异步电机工作原理旋转磁场当异步电机的三相定子绕组通入三相交流电后，将产生一个旋转磁场，该旋转磁场切割转子绕组，从而在转子绕组中产生感应电动势，电动势的方向由右手定则来确定。电磁转矩由于转子绕组是闭合通路，转子中便有电流产生，电流方向与电动势方向相同，而载流的转子导体在定子旋转磁场作用下将产生电磁力，电磁力的方向可用左手定则确定。异步运转异步电机的转子转速不等于定子旋转磁场的同步转速，这是异步电机的主要特点，负载变化时，转速也变化，以适应负载需要，所以异步电机的转速是随负载变化而变化的。转差率异步电机的转速与定子旋转磁场同步转速有差异，差异大小影响电机性能，转差率衡量此差异，其值为转速差与同步转速之比，表达式为sn=(n1-n)/n1，额定转差率0.01～0.06。异步电机工作原理异步电机控制方法矢量控制矢量控制理论采用矢量分析的方法来分析异步电机内部的电磁过程，是建立在异步电机的动态数学模型基础上的控制方法，解耦控制磁链和转矩，实现理想动态性能。直接转矩控制直接转矩控制将电机输出转矩作为直接控制对象，通过控制定子磁场向量控制电机转速，无需复杂坐标变换和转子模型，采用PWM逆变器控制电压，实现强鲁棒性。转差控制转差控制是根据异步电机电磁转矩和转差频率的关系来直接控制电机转矩的，可以在一定的转差频率范围内、一定程度上通过调节转差来控制电机的电磁转矩。030201特斯拉电机特拉斯电动汽车搭载的是一台375V的异步电机，有3种规格，峰值功率分别为225kW、270kW、310kW，峰值转矩分别为430N·m、440N·m、600N·m。电机特性异步电机能够忍受大幅度的温度变化；输出转矩可以在大范围内调整，无需安装第二套乃至第三套传动机构；体积小，质量轻，仅52kg，具有重量轻、效率高和结构紧凑的优点。异步电机应用实例06永磁同步电机永磁同步电机结构转子结构转子由永磁体、铁芯和转轴构成，永磁体分表面式和内置式，铁芯材料依磁极结构定，含实心钢、钢板叠压等，并装有位置检测器以精准控制电枢电流。定子结构定子含电枢铁芯与绕组，铁芯由硅钢片叠压构成，绕组采用分布短距设计，高效电机更倾向低损耗冷轧硅钢片，而极数多者常用分数槽绕组以优化电动势波形。定子三相电流产生旋转磁场，与转子永磁体作用，驱动电机同步旋转，功率角随负载变化，但转速严格同步于旋转磁场，确保稳定无失步。磁场互动电机定子三相正弦波电压产生对称电流，在气隙中形成旋转磁场，与永磁体作用驱动转子同步旋转，负载增加时功率角增大，直至极限角度电机停止。电磁转换永磁同步电机工作原理矢量控制永磁同步电机矢量控制策略简化旋转坐标变换，因转速与电源频率同步，转差为零，控制效果受转子参数影响小，故更易实现矢量控制。直接转矩控制智能控制永磁同步电机控制直接转矩控制摒弃矢量控制的复杂坐标变换与转子磁链定向，以转矩为受控核心，电压矢量直接调控，结构简洁，参数鲁棒性强。采用智能控制方法的永磁同步电机控制系统，结合传统PI控制与智能模糊、神经网络等算法，优化多环控制结构，实现高效精准的速度与转矩调节。绅宝EV性能绅宝EV搭载大容量三元锂电池与高效永磁同步电机，峰值功率40kW，转矩127N·m，匹配减速器，最高车速130km/h，满电续驶里程150km。宝马i3实力宝马i3纯电动汽车后置后驱，永磁同步电机最大功率125kW，最大输出转矩250N·m，搭载22kW·h电池，加速至100km/h仅需7.2s，最高车速150km/h。永磁同步电机应用实例07开关磁阻电机开关磁阻电机结构多相结构开关磁阻电机有多种相数结构，如单相、两相、四相及多相等，定转子极数多样，低于三相的电机无自启动能力，目前常用四相8/6极或三相6/4极结构。定转子结构开关磁阻电机由双凸极定子和转子构成，定子、转子凸极由硅钢片叠压而成，定子极上绕集中绕组，两相串联成两级磁极，即一相。凸极旋转开关磁阻电机的定子和转子呈凸极形状，极数互不相等，转子由叠片构成，带位置检测器以提供转子位置信号，使定子绕组按序通断，保持电机连续运行。磁阻最小开关磁阻电机的运行原理遵循“磁阻最小原理”，即磁通总是选择磁阻最小的路径闭合，铁芯在移动至最小磁阻位置时，其主轴线与磁场轴线重合。磁阻电感磁阻随转子磁极与定子磁极的中心线对准或错开而变化，电感与磁阻成反比，当转子磁极在定子磁极中心线位置时，相绕组电感最大，中心线对准时电感最小。转向控制当定子D-D’极励磁时，磁力使转子旋转至转子极轴线1-1’与定子极轴线D-D’重合的位置，以使D相励磁绕组电感最大，从而实现电机转动控制。开关磁阻电机工作原理开关磁阻电机控制角度位置控制通过调节开通角和关断角，改变绕组通断电时刻和电流波形，实现转速闭环控制，适用于高速场合，但不适于低速场合，因低速时电流峰值大需限流。01040302位置控制低速运行或启动时，采用电流斩波控制限定电流峰值，防止损坏功率开关器件及电机，直接在每相特定导通位置斩波控制电流，适用于低速调速系统。斩波控制电压控制通过调节PWM波占空比，改变绕组两端电压平均值，进而调节电流大小，实现转速调节，适用于低速和高速系统，控制简单但调速范围有限。电压控制开关磁阻电机可采用多种控制方式相结合的方法，如高速角度控制和低速电流斩波控制、变角度电压斩波控制和定角度电压斩波控制等，根据不同应用场合和性能要求合理选择。组合控制开关磁阻电机应用实例港口机械在港口装卸作业中，开关磁阻电机驱动的车辆和起重机展现出优异的性能。其强大的动力输出和高效的能量回收机制，能够满足高负载作业的需求。物流输送开关磁阻电机因其低噪音、免维护及高效能的特点，在物流输送系统中发挥重要作用。其精确的控制性和稳定性，确保物流设备在高速运行中。工业自动化开关磁阻电机因其高效能、宽转速范围及可靠耐用的特性，在纺织、印染、塑料加工等工业领域展现出广泛应用潜力，推动工业自动化与生产效率提升。03020108轮毂电机轮毂电机结构形式外转子式结构：外转子式轮毂电机采用低速外转子，最高转速为1000～1500r/min，无减速机构，车轮转速与电机相同。结构简洁，成本低廉，维护方便，适用于对成本。内转子式结构：内转子式轮毂电机采用高速内转子电机，配备行星齿轮减速机构（传动比约10:1），电机转速高达10000r/min，车轮转速约1000r/min，功率密度更高。高速内转子优势：高速内转子轮毂电机比功率高、重量轻、体积小、效率高、噪声小且成本低，但需减速机构，存在效率降低、非簧载重量增加及电机转速受限等问题。低速外转子优势：低速外转子电机结构简单、轴向尺寸小、比功率高、转矩控制宽、响应快且效率高，但大转矩时体积重量增加、加速效率低且噪声大，成本也较高。轴向磁场电机轴向磁通电机热管理佳，定子无铁芯简化结构。其设计促进热量高效散发，降低整体重量，提升运行效率，适用于需高效散热及轻量化应用的场景。轮毂电机应用类型径向磁场电机径向磁通电机定转子间受力均衡，磁路由硅钢片叠压制成，技术成熟稳定。这种结构特点使得径向磁场电机在多种应用情境中均展现出优异的性能。永磁同步电机无刷永磁同步电机采用圆柱形径向或盘式轴向磁场结构，具备高功率密度、高效率及宽广调速范围，发展前景广阔，已广泛应用于国内外多种电动汽车。异步电机结构坚固耐用，成本低廉，运行可靠，无需位置传感器，转速极限高。但驱动电路复杂且成本高，效率和功率密度相对永磁电机较低。异步感应电机开关磁阻式电机具有结构简单、制造成本低廉、转速/转矩特性好等特点，适用于电动汽车驱动。但设计和控制非常困难和精细，运行噪声大。开关磁阻电机轮毂电机应用类型直接驱动优势轮毂电机直接驱动方式实现了低速外转子与车轮的集成化设计，不仅降低了系统复杂度，还提升了整体运行效率。同时，该方式便于整车结构布置与车身设计。减速驱动优势减速驱动采用了高速内转子电机与减速机构结合的方式，有效地提升了电动汽车的功率输出及加速性能。同时减速机构还能降低车轮的噪音并优化电机的负载分布。直接驱动挑战直接驱动需要电机在低转速下提供大转矩，承载大转矩时需大电流，易损坏电池和永磁体。同时电机效率峰值窄，负载电流易超致效率剧降，需优化悬架系统。减速驱动考量减速驱动虽提升性能，但面临齿轮噪声大、润滑难题及非簧载重量增加等挑战。需精细设计减速机构与电机匹配，确保高效、安静运行，并优化整车结构布局。轮毂电机驱动方式特斯拉轮毂电机特斯拉电动汽车采用375V异步电机，功率与转矩多样，耐高温，调整范围广，无需多传动机构。特斯拉的电机驱动系统实现了重量轻、效率高且结构紧凑。北汽绅宝EV动力北京汽车集团有限公司推出的首款B级电动汽车——绅宝EV，搭载大容量三元体系锂离子动力电池及高效率永磁同步电机，实现强劲动力与良好续航能力。宝马i3纯电性能宝马i3纯电动汽车搭载后置后驱永磁同步电机与22kW·h锂离子电池，输出125kW/250N·m强劲动力，实现0-100km/h加速7.2秒，最高车速达150km/h。轮毂电机实例分析09电机控制器电机控制器组成与原理电机控制原理电机控制器通过接收电机转速等信号反馈，实现与仪表的同步显示。在制动或加速时，控制器自动调整变频器频率，控制电动机的转速变化。电机控制器组成电机控制器由逆变器和控制器构成，逆变器将电池直流电转为三相交流电供电动机，控制器接收转速反馈并调节变频器频率，实现加速或减速。频率控制方式频率控制方式是通过改变电机的电源频率而实现转速控制的控制方式。这种控制方法通过调整电源频率来改变电机的同步转速，实现转速调节。电压控制方式电压控制方式是通过改变电机端电压而实现转速控制的控制方式。这种控制方法直接影响电机的电磁转矩，从而调节电机的转速和输出性能。电流控制方式电流控制方式是通过改变电机绕组电流而实现转速控制的控制方式。这种控制方法利用电流的大小或方向来调节电机的电磁转矩和转速。电机控制方式弱磁控制弱磁控制是通过减弱气隙磁场强度来有效控制电机转速的一种策略。当电机处于高速运转状态时，适当减弱气隙磁场可以有效降低涡流损耗。电机控制方式矢量控制矢量控制是将交流电机的定子电流视为矢量，经坐标变换分解为直流电机励磁电流和电枢电流对应的独立控制分量，实现电机转速/转矩的精准控制。直接转矩控制直接转矩控制运用空间矢量分析，在定子坐标系下直接计算并控制交流电机的转矩，采用定子磁场定向，通过离散调节产生PWM信号。控制器匹配原则控制器容量等级丰富，涵盖5kV·A至420kV·A等多个级别，满足不同电机规模与运行需求，确保精准匹配与控制效果。容量等级范围额定电压与功率针对额定电压小于或等于360V且额定功率不超过200kW的单台电机，已明确其与控制器输出容量的匹配关系。电机控制器的选择需与电机特性紧密匹配，确保两者间容量等级相符，以优化系统整体性能，实现高效、稳定的运行。电机控制器容量等级电机控制器实例分析无刷直流电机控制器无刷直流电机控制器集成调速与能量回收功能，通过电机发电回馈电能至电池，减少能量损失，提升电动汽车续驶里程。保护功能与性能无刷直流电机控制器配备完善的保护功能，包括过热、限流、异常和欠压保护，确保元件寿命和蓄电池健康，提升系统稳定性。物理特性与标准经过严格的密封性测试，保证了其优良的防水防潮性能；具备CAN总线功能，便于与整车控制系统联网，实现快捷智能化控制。10驱动电机系统接口接口类型电动汽车驱动电机系统接口包括电气、机械和冷却液管路接口，确保动力与信号传输稳定，机械连接稳固，冷却液循环顺畅。连接方式动力电气接口采用快速与固定连接，信号电气接口推荐法兰式连接器，机械接口协商确定，冷却液管路接口按标准选配。接口类型与连接方式快速连接动力电气接口采用快速连接方式，确保高效对接与拆卸，提高车辆维护效率与安全性。固定连接动力电气接口同时支持固定连接方式，提供稳定传输路径，减少振