电动汽车电机的国内外技现状与发展趋势（PPT33页).ppt

1、电动汽车电机的国内外技现状与发展趋势,电动汽车电机的 国内外技现状与发展趋势,电动汽车的发展趋势,国内电动汽车用电机的种类及各自特点,未来电动汽车用电机发展趋势,结束语,目录,1,2,3,4,1、电动汽车的发展趋势,石油能源是不可再生能源和污染性能源，随着我国汽车保有量的逐年攀升，汽车尾气污染日益成为大气主要污染源之一。为了实现资源的高效利用，节省能源，降低污染物排放，以电力发电来替代燃油发电的电动汽车逐渐成为了新宠。,近年来，政府在政策等各个方面给予电动汽车许多优惠条件，旨在鼓励、发展和使用电动汽车。作为电动汽车的核心组成部件，不论是纯电动汽车（EV）、混合电动汽车（HEV）还是燃料电池汽车

2、（FCEV），电机控制系统都是其核心的关键性组成部件，是电动汽车整车功能的集成和优化的最为核心的单元部件，电控系统的安全可靠性如何会直接影响到整个电动汽车运行的稳定和安全，可以说，电动汽车中的电机控制系统是整个汽车产业信息化转型的重要方面内容。,2、国内电动汽车用电机的种类及各自特点,2.1、直流电动机（DC） 2.2、异步电动机（IM） 2.3、永磁电动机（BDCM 和PMSN） 2.4、开关磁阻电动机（SRM）,各种电动机的性能比较,2.1、直流电动机（DC）,直流电动机结构较为简单，是电动汽车中较早使用的驱动系统。,2.1.1直流电机原理,直流电动机就是将直流电能转换成机械能的电动机，是

3、电动机的主要类型之一。电动机的定子绕组多做成三相对称星形接法，同三相异步电动机十分相似。电动机的转子上粘有已充磁的永磁体 ，为了检测电动机转子的极性，在电动机内装有位置传感器。驱动器由功率电子器件和集成电路等构成，其功能是：接受电动机的启动、停止、制动信号，以控制电动机的启动、停止和制动；接受位置传感器信号和正反转信号，用来控制逆变桥各功率管的通断，产生连续转矩；接受速度指令和速度反馈信号，用来控制和调整转速；提供保护和显示等等。,直流电机的驱动特性,2.1.2直流电机的特点及优缺点,1）调速性能好。直流电动机可以在重负载条件下，实现均匀、平滑的无极调速，而调速范围较宽。 2）启动动力矩大。

4、3）控制比较简单。 4）有易损件。,直流电机控制简单，控制技术成熟，一般通过电枢控制和弱磁控制来控制转速，为满足电动汽车运行要求，通常在恒转矩区采用电枢控制以得到较大的平稳转矩，在恒功率区采用弱磁控制以得到较高转速。但直流电机利用电刷实现机械换向，电刷磨损很快， 需要经常维护，换向火花的存在限制了电机的高速运行，且电机体积大，制造成本高。所以新研制的轮毂电机大都不采用直流电机。,1.2异步电机,异步电动机又称感应电动机，根据电磁力定律，载流的转子导体在磁场中受到电磁力作用，形成电磁转矩，驱动转子旋转，当电动机轴上带机械负载时，便向外输出机械能。,2.2.1异步电机的工作原理,三相异步电动机的种

5、类很多，但各类三相异步电动机的基本结构是相同的，它们都由定子和转子这两大基本部分组成，在定子和转子之间具有一定的气隙。此外，还有端盖、轴承、接线盒、吊环等其他附件,当绕组接通三相电源时，就在绕组中产生一个旋转磁场，以n1的转速旋转，并以全速切割转子，在转子鼠笼中产生感应电动势，因为鼠笼是闭合的，此电势形成电流，产生磁场，与定子的磁场作用开始旋转、加速。三相异步电动机的转速永远低于旋转磁场的同步转速，使转子和旋转磁场间有相对运动，从而保证转子的闭合导体切割磁力线，感生电流，产生转矩。,2.2.异步电机技术特点及优缺点,1）基本特点： 转子绕组不需与其他电源相连，器定子电流直接取自交流电力系统；与

6、其他电动机相比，异步电动机的结构简单，制造、使用、维护方便，运行可靠性高，质量轻，成本低。 小型轻量化。易实现转速超过10 000r/min 的高速旋转。高速低转矩时运转效率高。 低速时有高转矩，以及有宽泛的速度控制范围。高可靠性（坚固）。制造成本低。 控制装置的简单化。异步电动机的基本特点是，转子绕组不需与其他电源相连，其定子电流直接取自交流电力系统； 与其他电机相比，异步电动机的结构简单，制造、使用、维护方便，运行可靠性高，重量轻，成本低。以三相异步电动机为例，与同功率、同转速的直流电动机相比，前者重量只及后者的二分之一，成本仅为三分之一。在大功率、低转速场合(如拖动球磨机、压缩机等)不如

7、用同步电动机合理。,2）局限性：它的转速与其旋转磁场的同步转速有固定的转差率，因而转速性能较差，在要求有较宽广的平滑调速范围的使用场合，不如直流电动机经济、方便。此外，运行时从电力系统吸取无功功率以励磁，这回导致电力系统的功率因数变坏。 所以在大功率、低转速场合不如同步电动机合理。目前电动汽车上主要使用笼型异步电动机。,2.3永磁同步电机,永磁同步电机具有高效、高控制精度、高转矩、良好的转矩平稳及低振动噪声的特点，通过合理设计永磁磁路结构能够获得较高的弱磁性能，能在电动驱动方面具有很高的应用价值。,2.3.1永磁同步电机的工作原理,永磁同步电机在结构上与永磁无刷直流电机类似，只是它通过正弦波驱

8、动。根据转子上永磁体安装方式的不同，一般可以分为表面式和内置式，其中表面式适用于低速电机，内置式适用于高速电机。相对于无刷直流电机，永磁同步电机具有低噪声，大功率密度，小转动惯量，高控制精度等优势，并且可以实现弱磁调速，提高恒功率运行的范围，特别适合作为电动汽车用轮毂电机。永磁同步电机基于三相交流电供电工作，其数学模型比较复杂， 控制方法也非常复杂。常用的控制方法有矢量控制和直接转矩控制。,2.3.2永磁同步电机的特点及优缺点,永磁同步电机与其他电机相比有以下优点： （1）无刷运行、结构简单、运行可靠。 （2）对负载变化而引起的电动机扰动有较强的承受能力。 （3）控制简单，控制电源频率就可以控

9、制电机转动。 （4）可以在很低的转速下保持同步运行，调速范围宽。 （5）体积小，质量轻。,永磁同步电机与有以下缺点： （1）转子为永磁体，无法调节，必须通过加定子直轴去磁电流分量来削弱磁场，这回增大定子的电流，增加电动机的铜耗。 （2)永磁电动机的磁钢价格较高。,由此可见，永磁电动机体积小，质量轻，转动惯量小，功率密度高，适合电动汽空间有限的特点需要；另外转矩惯量比大，过载能力强，尤其低转矩时输出转巨大，适合电动机的启动加速。因此，永磁电动机得到国内外电动汽车界的广泛重视，并得到了普遍应用。,2.4开关磁阻电动机,开关磁阻电动机是继交流电动机和直流电动机后，又一极具发展潜力的新型电动机。是集现

10、代微电子技术、数字技术、电力电子技术、红外光电技术及现代电磁理论、设计和制作技术为一体的光、机、电一体化高新技术。它具有调速系统兼具直流、交流两类调速系统的优点。,2.4.1开关磁阻电动机的原理,下图为四相8 /6 极开关磁阻电机的结构原理图。SM 的定子绕组产生的磁场遵循“磁阻最小原理”，对转子产生磁拉力，从而形成磁阻性质的电磁转矩。,2.4.2开关磁阻电动机的特点,（1）开关磁阻电动机有较大的电动机利用系数，可以是感应电动机利用系数的1.21.4倍。 （2)具有制造工序少、成本低、工作可靠、维修量小等特点。 (3)开关磁阻电动机驱动系统SED线路简单，可靠性高，成本低于PWM交流调速系统。

11、 (4)开关磁阻电动机转子的结构形式对转速限制小，可制成高转速电动机，而且转子的转动惯量小，在电流每次换相时又可以随时改变相匝转矩的大小和方向，因而系统有良好的动态响应。 (5)由于SR开关磁阻电动机采用了独特的结构和设计方法以及相应的控制技巧，其单位处理可以与感应电动机相媲美，甚至还略占优势。SRD系统的效率和功率密度在宽广的速度和负载范围内都可以维持在教导水平。,开关磁阻电动机驱动系统SRD系统的主要缺点是： (1)有转矩脉动。从工作原理可知，S开关磁阻电动机转子上产生的转矩是由一些列脉冲转矩叠加而成的，由于双凸极结构和磁路饱和非线性的影响，合成转矩不是一个恒定转矩，而有一定的谐波分量，这

12、影响了SR电动机低速运行性能。 (2) SR电动机传动系统的噪声与震动比一般电动机大。 (3)SR电动机的出线头较多，如三相SR 电动机至少有四根出线头，四相SR电动机至少有五根出线头，而且还有位置检测器出线端。,3、电机发展趋势,根据电动汽车“十二五”专项规划对新能源汽车驱动电机系统的性能要求：电机功率密度2.7kW/kg，电机扭矩密度55 Nm/L，控制器质量密度6.0 kVA/kg，控制器体积密度8.0 kVA/L，系统最高效率94%，系统高效区（效率80 区域）75%，寿命30 万km。系统成本：乘用车200 元/kW，商用车300 元/kW7。另一方面受电池技术的制约，电机的启动性能

13、、加速性能、低速时的效率、制动及滑行时的能量再生能力、电机的过载能力、电机的能量密度及电机可靠性是衡量电动车辆驱动电机好坏的重要指标。,（1）驱动电机的功率密度不断提高。驱动电机作为动力输出源，其自身的性能直接影响到了电动汽车的整体性能。除了需要满足不同工况不同车型的需求，还要受车内空间的限制。这就需要电动轿车用电机向高性能和小尺寸发展。不断提高电机本身的功率密度，用相对小巧的电机发挥出大的功率成为驱动电机未来的发展趋势。永磁电机具有高转矩密度、高功率密度、高效率及高可靠性等优点。我国具有世界最为丰富的稀土资源，因此高效节能、高性能、轻型化永磁电机是我国车用驱动电机的发展方向。,（2）驱动电机

14、高速化，回馈制动范围宽广高效化。通过提高电机的工作转速，减小电机的体积和质量，进而拓宽回馈制动的范围，采用适当的变速系统及控制策略，可以使回馈制动的允许范围拓宽而适应更多工况，使整车节能更加有效，延长行车里程。,（3）驱动电机系统集成化和一体化。未来为了进一步减小驱动电机系统质量和体积，驱动电机系统的集成化程度将会不断提高。电机、电机控制器、变速箱、减速器、DC- DC 的集成度将会越来越高，从结构集成到控制集成化和系统集成化，电机和变速箱的一体化将会越来越明显。,（4）驱动电机控制系统数字化。电动轿车用电控制系统集成度越来越高，电机控制器、DC- DC、变速箱控制器、整车控制器进行不同方式的集成。高速、高性能的微处理器使得电驱动系统进入全新的数字化时代。面向用户的可视化编程，也可以通过代码转化和下载直接进入微处理，不断提高编程效率和可调试性。,（5）开关磁阻电机市场化。未来为满足消费者对纯电动轿车的动力性、经济性需求，需要考虑到纯电动轿车的成本、效率、续驶里程、100 km 能耗、最高速度等问题，在解决开关磁阻电机输出转矩脉动大的问题后，拥有结构和控制简单、效率高、转速范围宽、成本低、质量轻等特点的开关磁阻电机将