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电动汽车用电机技术现状与发展趋势

导读: 交流感应电机有鼠笼转子式和绕线转子式。绕线转子式可通过改变外电路参数来改善电机的运行性能,但其成本高、需要维护、耐久性不足,因而它没有鼠笼转子式应用那么广泛,特别是在纯电动汽车和混合动力汽车上。

  环境和能源问题日益引起全球的高度重视,因此研发节约能源、少污染甚至无污染的绿色汽车已成为全球的热点。电动汽车具有低噪声、零排放、高效、节能及能源多样化和综合利用等显著优点,成为各国开发的主流。电动汽车的发展有赖于技术的进步,尤其是需要进一步提高其动力系统的性能,降低其成本。而当前制约电动汽车发展的最关键问题之一就是电动机。

  早期的电动汽车用驱动电机大多采用直流电机。但随着微电子、电力电子技术和自动化控制技术的快速发展,电动汽车上采用交流感应电机作为驱动电机日益增多。与直流电机相比,其结构简单坚固、质量轻、体积小、低成本、效率高、价格低廉。

  交流感应电机有鼠笼转子式和绕线转子式。绕线转子式可通过改变外电路参数来改善电机的运行性能,但其成本高、需要维护、耐久性不足,因而它没有鼠笼转子式应用那么广泛,特别是在纯电动汽车混合动力汽车上。

  永磁电机根据输入电机接线端的电流可分为永磁直流电机和永磁交流电机亦称永磁无刷电机,永磁无刷电机又包括永磁同步电机、永磁无刷直流电机和永磁混合电机三种。永磁电机的控制方式与交流感应电机基本相同,是当前电动汽车应用的研发热点。

  永磁直流电机若励磁线圈和磁极用永磁体代替,传统的绕线式直流电机就变成了永磁直流电机。永磁直流电机功率密度和效率较高,电枢反应减少,换向器得以改善。这些优点促进了它在电动车上的应用。但因其换向器会产生转矩波动,同时其电刷会带来摩擦和射频干扰,并且它们都需要定期维护,因而永磁直流电机的应用不再有吸引力。

  电动汽车有纯电动、混合动力和燃料电池三种类型,无论纯电动汽车、混合动力电动汽车还是燃料电池电动汽车,车用驱动电机系统既是关键技术又是共性技术。目前各国际汽车集团、跨国气集团、科研院所都投入大量资金与人力开展电动汽车用驱动电机系统技术研发。

  随着电机及驱动系统的发展,控制系统趋于智能化和数字化。变结构控制、模糊控制、神经网络、自应控制、专家系统、遗传算法等非线性智能控制技术,将单独或结合应用于电动汽车的电机控制系统。它们的应用将使系统结构简单、响应迅速、抗干扰能力强,参数变化具有鲁棒性,可大大提高整个系统的综合性能。蓄电池是电动汽车的储能动力源。能量管理系统是电动汽车的智能核心。一辆设计优良的电动汽车,除了有良好的机械性能、电驱动性能、适当的能量源(即电池)外,还应该有一套维持电动车所有蓄电池组件工作的能量管理系统,并使其工作于最佳状态。

  由于电池的能量密度较低,电池组的质量过大,因此,即使电动汽车动力系统的效率很高,使用铅酸电池的电动汽车一次充电的续驶里程也只有100km左右。由于电池性能差,电动汽车的动力性能无法达到当前内燃机汽车的水平。

  由于电动汽车所能携带的电能有限,所以在车上对电能的使用必须注意节省,车内空调和暖风的选用必须充分考虑其对电动汽车续驶里程的影响。除此之外,动力转向、真空助力器、主动(半主动)悬架以及其他一些车载电器的使用也受到限制。因此,乘员的舒适性受到影响。

  国内车用电机驱动系统的可靠性和耐久性较低,且缺乏可靠性和耐久性评价理论依据,无法通过设计和有限试验获知电动汽车电机驱动系统的寿命。电机驱动系统是典型的串联可靠性模型,现有国标(报批稿)制定的可靠性测试工控仍参照发动机考核,缺乏可靠性和耐久性评价理论依据。

  与提升材料利用率、建立可靠性和电池兼容模型等有关的一些基本模型缺乏,是车用电机驱动系统技术突破的理论障碍,例如电机高功率密度化后,磁场饱和和波弦、脉振和线性假设的理想模型预测值相差甚远,需要建立新型的铁损耗模型。

  电动汽车用电机驱动系统技术发展趋势基本可以归纳为永磁化、数字化和集成化。永磁电机具有效率高、比功率较大、功率因数高、可靠性高和便于维护的优点。采用矢量控制的变频调速系统,可使永磁电动机具有宽广的调速范围。因此,电机的永磁化成为电机驱动技术的重要发展方向之一。永磁电机是电动汽车尤其是轿车的主流技术,永磁磁阻式比表贴式更适合电动汽车应用。数字化也是未来电机驱动技术发展的必然趋势。数字化不仅包括驱动控制的数字化,驱动到数控系统接口的数字化,而且还应该包括测量单元数字化。随着微电子学及计算机技术的发展,高速、高集成度、低成本的微机专用芯片以及dsp等的问世及商品化,使得全数字的控制系统成为可能。用软件最大程度上地代替硬件,除完成要求的控制功能外,还具有保护、故障监控、自诊断等其他功能。全数字化是电动车控制乃至交流传动系统的重要发展方向之一。

  总之,电动汽车驱动电机总的发展趋势是由通用走向专用,由直流走向交流。电机作为电机驱动系统的动力源,是电动汽车动力系统的核心,已成为电动汽车发展的瓶颈。相信随着电机技术电力电子技术、微电子技术、自控技术的飞速发展和更加完美的结合,电动车用电机必将发展成为可靠、易维护、低成本、高效率、宽调速、高功率密度和高集成度的智能电机。

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