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電動汽車驅動系統(tǒng)有哪些類型?

 暢 想 2017-07-08

驅動系統(tǒng)由電機決定,電動汽車電機驅動系統(tǒng)一般由4個主要部分組成,即控制器。功率變換器、電動機及傳感器。目前電動汽車中使用的電動機一般有直流有刷電機、直流無刷電機、交流異步電機等。請關注:容濟點火器

一、電動汽車的系統(tǒng)組成

一般地,如果把電動汽車看生是一個大系統(tǒng),則系統(tǒng)主要由電力驅動子系統(tǒng)、電源子系統(tǒng)和輔助子系統(tǒng)組成。下圖

表示一種典型的電動汽車系統(tǒng)組成,圖中雙線表示機械連接;粗線表示電氣連接;細線表示控制信號連接;線上的箭頭表示電功率或控制信號的傳輸方向。來自加速踏板的信號輸入電子控制器并通過控制功率變化器來調節(jié)電動機輸出的轉矩或轉速,電動機輸出的轉矩通過汽車傳動系統(tǒng)驅動車輪轉動。充電器通過汽車的充電接口向蓄電池充電。在汽車行駛時,蓄電池經功率變換器向電動機供電。當電動汽車采用電制動時,驅動電動機運行在發(fā)電狀態(tài),將汽車的部分動能回饋給蓄電池對其充電,并延長電動汽車的續(xù)駛里程。

二、電動驅動系統(tǒng)要求

電力驅動系統(tǒng)是電動汽車的核心,也是區(qū)別于內燃機汽車的最大不同點。電動汽車對驅動系統(tǒng)的要求很高。一般認為,驅動系統(tǒng)應符合下列要求:

1)瞬時功率大,短時過載能力強,以滿足爬坡及加速的需要;

2) 調速范圍寬廣;

3) 在運行的全部速度范圍和負載范圍內,具有較高的效率。也就是在電機所有工作范圍內綜合效率高, 以盡量提高電動汽車一次續(xù)駛里程;

4) 可靠性高,使用方便簡單,價格低廉;

5) 功率密度高,體積小,質量輕。

一般地,驅動系統(tǒng)由電氣和機械系統(tǒng)組成。電氣系統(tǒng)由電子控制器,功率變換器、驅動電動機組成;機械系統(tǒng)由機械傳動裝置和車輪組成。驅動系統(tǒng)的功能是將儲存在蓄電池中的電能高效地轉化為車輪的動能進而推進汽車行駛,并能夠在汽車減速制動或者下坡時,實現再生制動。結構如下圖


驅動電動機的作用是將電源的電能轉化為機械能,通過傳動裝置驅動或直接驅動車輪。早期,電動汽車上廣泛采用直流串激電動機,這種電動機具有“軟”的機械特性,與汽車的行駛特性非常適應。但直流電動機由于存在換向火花,比功率較小,效率較低,維護保養(yǎng)工作量打等缺點,隨著電動機技術和電動機控制技術的發(fā)展,正在逐漸被直流無刷電動機(BCDM)、開關磁阻電動機(SRM)和交流異步電動機所取代。

電子控制器即電動機調速控制裝置是為電動汽車的變速和方向變換等設置的,其作用是控制電動機的電壓或電流,完成電動機的驅動轉矩和旋轉方向的控制。在早期的電動汽車上,直流電動機的調速采用串接電阻或改變電動機磁場線圈的匝數來實現。因其調速是有級的,且會產生附加的能量消耗或使用電動機的結構復雜,現在已很少使用。目前,電動汽車上應用較廣泛的是晶閘管斬波調速,通過均勻地改變直流電動機的端電壓,控制電動機的電流,來實現電動機的無級調速,在電力電子技術的不斷發(fā)展中,它也逐漸被其他電力晶體管(如GTOMOSFET,BTR及IGBT等)斬波調速裝置所取代。

電動汽車用的功率變換器用做DC-DC轉換和DC-AC轉換。DC-DC轉換器又稱直流斬波器,用于直流電動機驅動系統(tǒng)。兩象限直流斬波器能把蓄電池的直流電壓轉換為可變的直流電壓,并能將再生制動能量進行反向轉換。DC-AC轉換器通常稱作逆變器,用于交流電動機驅動系統(tǒng),它將蓄電池的直流電轉換為頻率和電壓均可調的交流電。電動汽車一般只是用電壓輸入式逆變器,因為其結構簡單且又能進行雙向能量轉換。而且,通常采用的是SPWM(正弦波SPWM)逆變器。其原理是將正弦調制波與三角載波比較,得到相應的PWM脈沖序列。SPWM的優(yōu)點在于它的算法簡單,而且容易實現。

三、電動汽車對于驅動電機的要求

  目前對于電動汽車性能的評定,主要是考慮以下三個性能指標:

  (1)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;

  (2)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;

  (3)最高時速(km/h):電動汽車所能達到的最高時速。

  針對于電動汽車的驅動特點所設計的電機,相比于工業(yè)用電機有著特殊的性能要求:

  (1)電動汽車驅動電機通常要求可以頻繁的啟動/停車、加速/減速、轉矩控制的動態(tài)性能要求較高;

  (2)為了減少整車的重量,通常取消多級變速器,這就要求在低速或爬坡時,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)要求調速范圍盡量大,同時在整個調速范圍內還需要保持較高的運行效率;

  (4)電機設計時盡量設計為高額定轉速,同時盡量采用鋁合金外殼,高速電機體積小,有利于減少電動汽車的重量;

  (5)電動汽車應具有最優(yōu)化的能量利用,具有制動能量回收功能,再生制動回收的能量一般要達到總能量的10%-20%;

  (6)電動汽車所使用的電機工作環(huán)境更加復雜、惡劣,要求電機在有著很好的可靠性和環(huán)境適應性,同時還要保證電機生產的成本不能過高。

四、電動車幾種常用的驅動電機

 1、直流電動機

  在電動汽車發(fā)展的早期,大部分的電動汽車都采用直流電動機作為驅動電機,這類電機技術較為成熟,有著控制方式容易,調速優(yōu)良的特點,曾經在調速電動機領域內有著最為廣泛的應用。但是由于直流電動機有著復雜的機械結構,例如:電刷和機械換向器等,導致它的瞬時過載能力和電機轉速的進一步提高受到限制,而且在長時間工作的情況下,電機的機械結構會產生損耗,提高了維護成本。此外,電動機運轉時電刷冒出的火花使轉子發(fā)熱,浪費能量,散熱困難,也會造成高頻電磁干擾,影響整車性能。由于直流電動機有著以上缺點,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

  交流異步電機是目前工業(yè)中應用十分廣泛的一類電機,其特點是定、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。交流異步電機與同功率的直流電動機相比效率更高,質量約輕了二分之一左右。如果采用矢量控制的控制方式,可以獲得與直流電機相媲美的可控性和更寬的調速范圍。由于有著效率高、比功率較大、適合于高速運轉等優(yōu)勢,交流異步機是目前大功率電動汽車上應用最廣的電機。目前,交流異步電機已經大規(guī)?;a,有著各種類型的成熟產品可以選擇。但在高速運轉的情況下電機的轉子發(fā)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(tǒng)很復雜,電機本體的成本也偏高,相比較于永磁式電動機和開關磁阻電機而言,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。

3、永磁式電動機

  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。這兩種電機在結構和工作原理上大體相同,轉子都是永磁體,減少了勵磁所帶來的損耗,定子上安裝有繞組通過交流電來產生轉矩,所以冷卻相對容易。由于這類電機不需要安裝電刷和機械換向結構,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。

 永磁式電動機的控制系統(tǒng)相比于交流異步電機的控制系統(tǒng)來說更加簡單。但是由于受到永磁材料工藝的限制,使得永磁式電動機的功率范圍較小,一般最大功率只有幾十千萬,這是永磁電機最大的缺點。同時,轉子上的永磁材料在高溫、震動和過流的條件下,會產生磁性衰退的現象,所以在相對復雜的工作條件下,永磁式電機容易發(fā)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(tǒng)成本較高。

 4、開關磁阻電機

  開關磁阻電機作為一種新型電機,相比其他類型的驅動電機而言,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(yōu)點。而且它具有直流調速系統(tǒng)的可控性好的優(yōu)良特性,同時適用于惡劣環(huán)境,非常適合作為電動汽車的驅動電機使用。

目前來說,異步電機依然是最為適合的。隨著電力電子技術的日益成熟和控制方法的不斷進步,異步電機系統(tǒng)結構堅固的優(yōu)點將特別突出,而其不足將隨控

制方法的不斷改進得到彌補。長遠看,永磁無刷電機在電動汽車上會有較好的應用。隨著稀土永磁材料作為一個行業(yè)不斷發(fā)展壯大,不論是成本,還是性能,永久磁鋼都有長足的進步。而多年來對永磁無刷電機的研究,也使得其制造方法和性能都得到了發(fā)展。因此,可以預言,永磁無刷電機在電動汽車中的應用前景廣闊

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