电动汽车的四种驱动电机比较

2016-08-31 16:29:34来源: ZLG致远电子
新能源汽车具有环保、节约、简单三大优势。在纯电动汽车上体现尤为明显:以电动机代替燃油机,由电机驱动而无需自动变速箱。相对于自动变速箱,电机结构简单、技术成熟、运行可靠,甚至被视为中国在新能源汽车行业实现汽车工业“弯道超车”的希望领域之一。新能源电动汽车主要是由电机驱动系统、电池系统和整车控制系统三部分构成,其中的电机驱动系统是直接将电能转换为机械能的部分,决定了电动汽车的性能指标。因此,对于驱动电机的选择就尤为重要。
 
电动汽车的驱动电机要求有以下几个特点:
宽广的恒功率范围,满足汽车的变速性能
启动扭矩大,调速能力强
效率高,高效区广
瞬时功率大,过载能力强
功率密度大,体积小,重量轻
环境适应性高,适应恶劣环境
能量回馈效率高
 
根据驱动原理,电动汽车的驱动电机可分为以下4种:
 
1、直流电动机
在电动汽车发展的早期,很多电动汽车都是采用直流电动机方案。主要是看中了直流电机的产品成熟,控制方式容易,调速优良的特点。但由于直流电动机本身的短板非常突出,其自身复杂的机械结构(电刷和机械换向器等),制约了它的瞬时过载能力和电机转速的进一步提高;而且在长时间工作的情况下,电机的机械结构会产生损耗,提高了维护成本。此外,电动机运转时的电刷火花会使转子发热,浪费能量,散热困难,还会造成高频电磁干扰,这些因素都会影响具体整车性能。
由于直流电动机的缺点非常突出,目前的电动汽车已经将直流电机淘汰。
2、交流异步电动机
交流异步电机是目前工业中应用十分广泛的一类电机,其特点是定、转子由硅钢片叠压而成,两端用铝盖封装,定、转子之间没有相互接触的机械部件,结构简单,运行可靠耐用,维修方便。交流异步电机与同功率的直流电动机相比效率更高,质量约轻了二分之一左右。如果采用矢量控制的控制方式,可以获得与直流电机相媲美的可控性和更宽的调速范围。由于有着效率高、比功率较大、适合于高速运转等优势,交流异步机是目前大功率电动汽车上应用最广的电机。
 
但在高速运转的情况下电机的转子发热严重,工作时要保证电机冷却,同时异步电机的驱动、控制系统很复杂,电机本体的成本也偏高,另外运行时还需要变频器提供额外的无功功率来建立磁场,故相与永磁电机和开关磁阻电机相比,异步电机的效率和功率密度偏低,不是能效最优化的选择。
异步电动机应用的较多的地区是美国,这也被人为是和路况有关。在美国,高速公路已经具有一定的规模,除了大城市外,汽车一般以一定的高速持续行驶,所以能够让高速运转而且在高速时有较高效率的异步电动机得到广泛应用。
 
3、交流异步电动机
永磁式电动机根据定子绕组的电流波形的不同可分为两种类型,一种是无刷直流电机,它具有矩形脉冲波电流;另一种是永磁同步电机,它具有正弦波电流。这两种电机在结构和工作原理上大体相同,转子都是永磁体,减少了励磁所带来的损耗,定子上安装有绕组通过交流电来产生转矩,所以冷却相对容易。由于这类电机不需要安装电刷和机械换向结构,工作时不会产生换向火花,运行安全可靠,维修方便,能量利用率较高。
永磁式电动机的控制系统相比于交流异步电机的控制系统来说更加简单。但是由于受到永磁材料本身的限制,在高温、震动和过流的条件下,转子的永磁体会产生退磁现象,所以在相对复杂的工作条件下,永磁式电机容易发生损坏,故这一块还有待继续发展改善。
 
而且永磁材料价格较高,因此整个电机及其控制系统成本较高,目前只有稀土资源丰富的中国比较倾向于使用永磁电机的电动汽车驱动方案。像日本、欧洲,要么是使用轻稀土的永磁材料做永磁电机,要么是直接改用无需稀土材料,但对控制器设计要求更高的开关磁阻电机。
 
4、开关磁阻电机
开关磁阻电机作为一种新型电机,相比其他类型的驱动电机而言,开关磁阻电机的结构最为简单,定、转子均为普通硅钢片叠压而成的双凸极结构,转子上没有绕组,定子装有简单的集中绕组,具有结构简单坚固、可靠性高、质量轻、成本低、效率高、温升低、易于维修等诸多优点。而且它具有直流调速系统的可控性好的优良特性,同时适用于恶劣环境,非常适合作为电动汽车的驱动电机使用。
但开关磁阻电机有转矩波动大、需要位置检测器、系统非线性特性,磁场为跳跃性旋转,控制系统复杂;对直流电源会产生很大的脉冲电流等缺点。另外开关磁阻电动机为双凸极结构,不可避免地存在转矩波动,噪声是开关磁阻电动机最主要的缺点。
 
但近年来的研究表明,采用合理的设计、制造和控制技术,开关磁阻电动机的噪声完全可以得到良好的抑制。像目前日本对开关磁阻电机的研究比较深入,日本电产的开关磁阻电机也广泛应用于电动汽车、家电等各类行业中。目前中国国内也渐渐有厂家关注这块电动汽车驱动电机的未来发展方向
 
打造高效的新能源汽车驱动电机
致远电子基于对电机及电动汽车行业的深入探索和长久积累,成功在MPT系列电机测试系统上整合面向新能源汽车的特殊测试项目——MAP图和再生能量回馈试验,为广大电动汽车电机设计者提供优秀的测试解决方案。
 
1、MAP图
根据GB/T 18488-2015电动汽车用驱动电机系统试验标准,需要对新能源汽车驱动电机进行MAP图测试,获取该电机的效率特性和高效区分布情况。MAP图实际测试结果如下图:
图中横轴为转速,纵轴为转矩,颜色表示对于的效率,它代表了电机在不同的工作区域(转速,转矩)下的效率特性分布情况,其中橙红色部分就是电机的高效区。高效区分布越广,代表该电机在各类工况下运行时越省电。
 
致远电子MPT电机测试系统内置MAP自动化测试功能,可以根据用户预先设置的加载情况,自动控制负载和被试电机进行对应的工况加载,获取不同工况下的效率,最终把海量的测试数据整合成一张MAP图,直观地为用户分析电机的效率特性和高效区分布情况。
 
2、再生能量回馈试验
同样根据GB/T 18488-2015电动汽车用驱动电机系统试验标准,还需要对新能源汽车驱动电机进行再生能量回馈试验。该试验目的是考量驱动电机在制动时,即运行在发电机状态时,能否正常实现电能的回馈,同时评估电机的真实能耗情况。
 
针对驱动电机的再生能量回馈试验,致远电机MPT电机测试系统可灵活利用内置MDA电机与驱动器分析仪的积分功能,对电机控制器的输入端进行实时积分,精确捕捉该电机在制动时回馈的能量值。
同时针对电机控制器和动力电池之间直流充放电特性,致远电机特殊设计充放电积分功能,可对电机控制器输入端的电信号进行采样率周期实时积分,即使电机快速在电动机状态和发电机状态之间切换,也可以捕捉到一段时间内电机和动力电池之间的能量传输情况。
 

关键字:电动汽车  驱动电机

编辑:杜红卫 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/qcdz/article_2016083116026.html
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