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纯电动汽车电机及控制系统技术对比

1.电动汽车对电机的性能要求

一个高效率、高质量、高性价比的电机可以提高电动车的动力性和经济性,因此对电机的性能要求:

(1)功率密度大。可满足在启动、停车、加减速等工况下运行。

(2)电机工作速域宽。电动车驱动的速度、转矩变化范围较大。

(3)成本低廉,维修容易。电机的零件价格低有利于电动汽车的使用推广。

(4)可靠性强,性能稳定。各种恶劣的工作环境下能高效地完成工作。

2.电机驱动系统的电机及控制器

电动车电机需要同时具备电动和发电的功能,目前实际应用或科学研发电动机类型有直流电动机、交流三相感应电动机、永磁同步电动机、开关磁阻电动机等。电机的控制系统起到调节电机运行状态的作用,满足在不同工况下的运行要求。

2.1直流电机及其控制系统

直流电机结构简单,成本较低同时具有优秀的电磁转矩控制特性,但缺陷同样明显在机械换向结构时比较容易产生电火花,在多尘和易燃易爆环境使用有安全隐患,此外换向器维护困难,转速较低难以满足电动车高转速的需求。

斩波器是直流电机控制系统的重要组成部件,电动车的各种工况所需转矩的数值不同,输入的电流可驱动直流电机运行,斩波器的作用是控制输入的电流的数值,按照电动车实际的需求进行调整。直流电机用斩波器作为其功率交换器,电力晶体投管调速装置逐渐投入使用。

2.2交流三相感应电机及其控制系统

交流三相感应电机结构形式简单,可靠性强,效率较高,性价比高。功率的范围宽广,可实现12000~15000r/min的转速。在运行过程中其耗电量较大,转子容易发热,相比于直流电机调速方法更为复杂,但其综合性能良好,目前国内的电动车主流电动机是交流三相感应电机。

交流三相感应电机的控制主要采用矢量控制技术,直流电需要逆变装置进行转换才能输送给交流电机。交流电机主要采用直流斩波器加速逆变器和PWM(脉冲宽度调制)逆变器,PWM(脉冲宽度调制)逆变器线路简单,传输能量环节少,效率高。

2.3永磁同步电机及其控制系统

永磁同步电机是利用永磁体建立励磁磁场的同步电动机,其定子产生旋转磁场,转子用永磁材料制成。永磁同步电机既要把蓄电池的电能化为动能进行输出,同时需要把减速、下坡时的动能转化为电能储存到蓄电池中,励磁电流可以实现以上要求。独特的转子磁路结构是永磁同步电机的特征,表面突出式、表面插入式和内置式的结构形式可以作为区分形式。内置式的结构永磁电机适合用作高效率、高性能、高调速的电动车电机,其特点是结构灵活、设计自由度大、运行可靠。

永磁电机的控制系统技术与感应电机技术接近,目的是把电机的低速转矩性能和电机的高速恒功率性能进行优化。控制方式根据电机转速进行匹配,低速时采用矢量控制高速时采用弱磁控制。在25%-120%额定负载区域内可保持较高的效率和功率密度,恒转矩区范围比较宽广,可持续延长到最高转速的55%。永磁驱动电机具有功率密度高、转速范围广、能量转化效率高、性能强、成本适中等特点符合纯电动汽车的性能需求,是后续电动汽车电机发展方向。

2.4开关磁阻电机及其控制系统

开关磁阻电机的定子和转子铁芯由众多硅钢片的组成。转子没有任何绕组,相比其他直流电机和感应电机没有疲劳故障和转速限制等问题,定子结构简单,制造工艺简单成本低。

通过控制相绕组的接通时间、断开时间对应有相应的开启角和关闭角,从而获得相应的转速、转矩需求。开关磁阻在宽转速和转矩范围内运行高效,响应速度快,但转矩波动大,电机噪声大、系统非线性等因素制约了其在电动汽车上的应用。

3.结语

通过对四种电机的特性、控制系统的对比,分析其相关参数结合现阶段我国电动汽车研发方向,可以预测到我国电动汽车的发展将以永磁化、效率高、可靠性强、性价比的电机为基础进行发展。由本文表1中的数据可以观察到,永磁电机在横向对比中优势明显,具有高功率、宽转速范围、高可靠性、轻量化等优点,可满足现在我国电动车发展的需求。在此优秀性能基础上控制产品成本、提高产品可靠性将有利于我国电汽车的推动发展。

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