電動汽車驅動電機的選配原則探討
中國新能源汽車明確純電動驅動技術路線以后,驅動電機的選配設計就顯得尤為重要了。下面就電動汽車驅動電機的選配原則予以探討。
一、純電動汽車驅動形式
車載內燃機輸出的動力直接來驅動汽車運動,這個內燃機在汽車行業內被稱之為發動機。可以說,發動機是一種特別的內燃機。
按發動機在汽車中的安放不同位置來劃分,有前置發動機、中置發動機、后置發動機三種。
按位置不同可以細分,主要有前置發動機前驅,前置發動機后驅,后置發動機后驅三種等。
按電機驅動形式,目前有前置電機、中置電機、后置電機、輪邊電機、輪轂電機等多種。
二、驅動汽車的電機特性
(1)驅動電機轉矩控制的動態性能要求較高,動態性能越好,電機技術水平越高;
(2)要求電機可以提供較高的轉矩,通常來說要能夠承受4-5倍的過載;
(3)驅動電機不僅要求保持較高的運行效率,同時要求調速范圍盡量大;
(4)要求電機不僅驅動性能好,還要兼顧發電機的功能,且要求發電效率高。
(5)驅動電機必須要求到達汽車級,一般工業級電機是不能直接用于汽車的。
(6)電動汽車內部相對空間狹小,要求驅動電機重量輕、體積小。
三、約束驅動電機的主要指標
(1)加速能力(s):電動汽車從靜止加速到一定的時速所需要的最小時間;
(2)最高時速(km/h):電動汽車所能達到的最高時速。
(3)最大行駛里程(km):電動汽車在電池充滿電后的最大行駛里程。
四、目前電動汽車常用驅動電機比較
1)直流電動機
①直流電動機外形圖及內部結構(見圖1、圖2)
圖1 直流電動機外形圖
圖2 直流電動機零部件圖
②優點:電機技術較為成熟,有著控制方式容易,調速優良的特點。
③缺點:機械結構。如電刷和機械換向器等;瞬時過載能力不足;電機轉速提高受到限制;在長時間工作時,電機的機械結構會產生損耗,提高了維護成本;電動機運轉時電刷冒出的火花使轉子發熱,浪費能量,散熱困難,也會造成高頻電磁干擾。
④基本趨勢:直流電機,在調速電動機領域內有著最為廣泛的應用,早期大部分的電動汽車都采用直流電動機作為驅動電機。但是其缺點較為明顯,長期無法克服,目前的電動汽車已經基本將直流電機淘汰。
2)交流異步電動機
①交流電動機外形圖及內部結構(見圖3、圖4)
圖3 交流電動機外形圖
圖4 交流電動機零部件圖
②優點:定、轉子由硅鋼片疊壓而成,兩端用鋁蓋封裝,定、轉子之間沒有相互接觸的機械部件,結構簡單,運行可靠耐用,維修方便。交流異步電機具有效率高、比功率較大、適合于高速運轉等優勢。
③缺點:高速運轉的情況下電機的轉子發熱嚴重,工作時要保證電機冷卻,同時異步電機的驅動、控制系統很復雜,電機本體的成本也偏高。與永磁式電動機和開關磁阻電機相比,異步電機的效率和功率密度偏低,對于提高電動汽車的最大行駛里程不利。
④基本趨勢:交流異步電機是目前工業中應用十分廣泛的一類電機,已經大規模化生產。目前不少電動汽車廠家選用交流異步電機作為啟動電機,基本控制采用矢量控制的控制方式。在大型電動公交車上的應用上,交流異步電機生命力較強。
3)永磁式電動機
①永磁式電動機外形圖及內部結構(見圖5、圖6)
圖5永磁式電動機外形圖及內部結構
圖6永磁式電動機及控制器
②分類:永磁式電動機根據定子繞組的電流波形的不同可分為兩種類型,一種是無刷直流電機,它具有矩形脈沖波電流;另一種是永磁同步電機,它具有正弦波電流。
③優點:冷卻相對容易,工作時不會產生換向火花,運行安全可靠,維修方便,能量利用率較高。
④缺點:永磁式電動機的功率范圍較小,一般最大功率只有幾十千瓦。永磁材料會產生磁性衰退的現象,容易發生損壞。而且永磁材料價格較高,因此整個電機及其控制系統成本較高。
⑤基本趨勢:目前永磁電機在電動汽車里已經是主流電機。
4)開關磁阻電機
①開關磁阻電機外形圖及內部結構(見圖7)
圖7開關磁阻電機外形圖及內部結構
②優點:開關磁阻電機的結構最為簡單,定、轉子均為普通硅鋼片疊壓而成的雙凸極結構,轉子上沒有繞組,定子裝有簡單的集中繞組,具有結構簡單堅固、可靠性高、質量輕、成本低、效率高、溫升低、易于維修等諸多優點。
③缺點:開關磁阻電機作為一種新型電機,目前產品性能有待完善和提升。
④基本趨勢:相比其他類型的驅動電機而言,它具有直流調速系統的可控性好的優良特性,同時適用于惡劣環境,非常適合作為電動汽車的驅動電機使用。
⑤基本結論:作為電動汽車驅動電機使用,直流電機和永磁式電機在結構和面對復雜的工作環境適應性太差,很容易發生機械和退磁的故障。開關磁阻電機應用到電動汽車是必然的趨勢。
五、電動汽車驅動電機的選配原則
1)用技術成熟的,但是不能用技術淘汰的產品;
2)用最新技術的,但是性能要穩定的產品;
3)當下電動物流專用車原則上選用永磁同步電機;
4)電動車大客車原則上也選用永磁同步電機,不過選用采用矢量控制的控制方式交流異步電機,也是一種較好的方案。
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