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电动汽车电动机驱动系统组成框图

时间:2016-11-22 19:56 来源:电工之家 作者:编辑部
【摘要】1驱动电机系统简介 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。 传统的内燃机能高效产生转矩时的转速限制在一个窄的范围......

1驱动电机系统简介
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。
传统的内燃机能高效产生转矩时的转速限制在一个窄的范围内,这就是为何传统内燃机汽车需要庞大而复杂的变速机构的原因;而电动机可以在相当宽广的速度范围内高效产生转矩,在纯电动车行驶过程中不需要换挡变速装置,操纵方便容易,噪音低。
与混合动力汽车相比,纯电动车使用单一电能源,电控系统大大减少了汽车内部机械传动系统,结构更简化,也降低了机械部件摩擦导致的能量损耗及噪音,节省了汽车内部空间、重量。电机驱动控制系统是新能源汽车车辆行使中的主要执行结构,驱动电机及其控制系统是新能源汽车的核心部件(电池、电机、电控)之一,其驱动特性决定了汽车行驶的主要性能指标,它是电动汽车的重要部件。

电动汽车中的燃料电池汽车FCV、混合动力汽车HEV和纯电动汽车EV三大类都要用电动机来驱动车轮行驶,选择合适的电动机是提高各类电动汽车性价比的重要因素,因此研发或完善能同时满足车辆行驶过程中的各项性能要求,并具有坚固耐用、造价低、效能高等特点的电动机驱动方式显得极其重要。
驱动电机系统是新能源车三大核心部件之一。电机驱动控制系统是新能源汽车车辆行使中的主要执行结构,其驱动特性决定了汽车行驶的主要性能指标,它是电动汽车的重要部件。电动汽车的整个驱动系统包括电动机驱动系统与其机械传动机构两个部分。电机驱动系统主要由电动机、功率转换器、控制器、各种检测传感器以及电源等部分构成,结构如下图2所示。电动机一般要求具有电动、发电两项功能,按类型可选用直流、交流、永磁无刷或开关磁阻等几种电动机,如图3。功率转换器按所选电机类型,有 DC/DC 功率变换器、DC/AC 功率变换器等形式,其作用是按所选电动机驱动电流要求,将蓄电池的直流电转换为相应电压等级的直流、交流或脉冲电源。
电机是应用电磁感应原理运行的旋转电磁机械,用于实现电能向机械能的转换。运行时从电系统吸收电功率,向机械系统输出机械功率。电机驱动系统主要由电机、控制器(逆变器)构成,驱动电机和电机控制器所占的成本之比约为1:1,根据设计原理与分类方式的不同,电机的具体构造与成本构成也有所差异。电机的控制系统主要起到调节电机运行状态,使其满足整车不同运行要求的目的。针对不同类型的电机,控制系统的原理与方式有很大差别。

图 2 电动机驱动系统的基本组成框图

图3 电机的分类(按原理)
2电动汽车对驱动电机的基本要求
比较四种常用电机驱动系统的应用以及优缺点等。
1.电动汽车电机的基本要求有以下几点:
(1)电机结构紧凑、尺寸小,封装尺寸有限,必须根据具体产品进行特殊设计。
(2)重量轻,以减轻车辆的整体重量。应尽量采用铝合金外壳,同时转速要高,以减轻整车的质量,增加电机与车体的适配性,扩大车体可利用空间,从而提高乘坐的舒适性。
(3)可靠性高、失效模式可控,以保证乘车者的安全。
(4)提供精确的力矩控制,动态性能较好。
(5)效率高,功率密度较高。要保证在较宽的转速和转矩范围内都有很高的效率, 以降低功率损耗,提高一次充电的续驶里程。
(6)成本低,以降低车辆生产的整体费用。
(7)调速范围宽。应包括恒转矩区和恒功率区,低速运行输出的恒定转矩大,以满足汽车快速启动、加速、负荷爬坡等要求;高速运行输出恒定功率,有较大的调速范围,以满足平坦的路面、超车等高速行驶的要求。
(8)瞬时功率大,过载能力强。要保证汽车具有4~5倍的过载能力,以满足短时内加速行驶与最大爬坡的要求。
(9)环境适应性好。要适应汽车本身行驶的不同区域环境,即使在较恶劣的环境中也能够正常工作,具有良好的耐高温、耐潮湿性能。
(10)制动再生效率高。在汽车减速时,能够实现反馈制动,将能量回收并反馈回电池,使得电动汽车具有最佳能量利用率。
(11)其他。结构简单,价格低廉,适合大批量生产,运行时噪声低,使用维修方便。
(12)与一般工业用电机不同,用于汽车的驱动电机应具有调速范围宽、起动转矩大、后备功率高、效率高的特性,此外,还要求可靠性高、耐高温及耐潮、结构简单、成本低、维护简单、适合大规模生产等。未来我国电动汽车用驱动电机系统将朝着永磁化、数字化和集成化方向发展。
2、异步电动机(感应电动机)在新能源汽车中的应用
(1)异步电动机介绍
感应电动机又称“异步电动机”,即转子置于旋转磁场中,在旋转磁场的作用下,获得一个转动力矩,因而转子转动。 转子是可转动的导体,通常多呈鼠笼状。定子是电动机中不转动的部分,主要任务是产生一个旋转磁场。旋转磁场并不是用机械方法来实现。而是以交流电通于数对电磁铁中,使其磁极性质循环改变,故相当于一个旋转的磁场。这种电动机并不像直流电动机有电刷或集电环,依据所用交流电的种类有单相电动机和三相电动机。
(2)异步电动机的特点
异步电动机有下面的优点:结构紧凑、坚固耐用;运行可靠、维护方便;价格低廉,体积小、质量轻;环境适应性好;转矩脉动低,噪声低。交流异步电动机成本低而且可靠性高,逆变器即便损坏而产生短路时也不会产生反电动势,所以不会出现急刹车的可能性。因此,广泛应用于大型高速的电动汽车中。三相笼型异步电动机的功率容量覆盖面很广,从零点几瓦到几千瓦。它可以采用空气冷却或液体冷却方式,冷却自由度高、对环境的适应性好,并且能够实现再生制动。与同样功率的直流电动机相比较,效率较高、重量约要轻一半左右。
同时它有下面的缺点:功率因数低,运行时必须从电网吸收无功电流来建立磁场;控制复杂,易受电机参数及负载变化的影响;转子不易散热;调速性能差,调速范围窄。
优势分析:新能源汽车专用的电动机,通过从电池中获取有限的能量产生动作,所以要求其在各种环境下的效率都要很好。因而,在性能上要求比一般工业用的电动机更加严格。适合作为电动汽车专用的电机需要满足几个特性:由高速化而生的小型轻量化(坚固性)、高效性(一次充电后的续驶里程长)、低速大转矩情况下的大范围内的恒定输出特性、寿命长以及高可靠性、低噪声性和成本低廉。 但是现实中全部满足以上几个特性的电机还未被开发出来。目前更适于新能源汽车的电机是交流异步电机和PM电动机。
(3)异步电动机的控制系统
由于交流三相感应电机不能直接使用直流电,因此需要逆变装置进行转换控制。新能源汽车减速或制动时,电机处在发电制动状态,给蓄电池充电,实现机械能转换为电能。在新能源汽车上,由功率半导体器件构成的 PWM 功率逆变器把蓄电池电源提供的直流电变换为频率和幅值都可以调节的交流电。三相异步电动机逆变器的控制方法主要有 V/f恒定控制法、转差率控制法、矢量控制法和直接转矩控制法(DTC)。20世纪90年代以前主要使用前两种控制方式,但是因转速控制范围小,转矩特性不理想,而对于需频繁起动、加减速的电动车并不适合。现在,后两种控制方式目前处于主流的地位。