電動汽車驅(qū)動電機(jī)的選配原則探討
中國新能源汽車明確純電動驅(qū)動技術(shù)路線以后,驅(qū)動電機(jī)的選配設(shè)計就顯得尤為重要了。下面就電動汽車驅(qū)動電機(jī)的選配原則予以探討。
一、純電動汽車驅(qū)動形式
車載內(nèi)燃機(jī)輸出的動力直接來驅(qū)動汽車運動,這個內(nèi)燃機(jī)在汽車行業(yè)內(nèi)被稱之為發(fā)動機(jī)。可以說,發(fā)動機(jī)是一種特別的內(nèi)燃機(jī)。
按發(fā)動機(jī)在汽車中的安放不同位置來劃分,有前置發(fā)動機(jī)、中置發(fā)動機(jī)、后置發(fā)動機(jī)三種。
按位置不同可以細(xì)分,主要有前置發(fā)動機(jī)前驅(qū),前置發(fā)動機(jī)后驅(qū),后置發(fā)動機(jī)后驅(qū)三種等。
按電機(jī)驅(qū)動形式,目前有前置電機(jī)、中置電機(jī)、后置電機(jī)、輪邊電機(jī)、輪轂電機(jī)等多種。
二、驅(qū)動汽車的電機(jī)特性
(1)驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制的動態(tài)性能要求較高,動態(tài)性能越好,電機(jī)技術(shù)水平越高;
(2)要求電機(jī)可以提供較高的轉(zhuǎn)矩,通常來說要能夠承受4-5倍的過載;
(3)驅(qū)動電機(jī)不僅要求保持較高的運行效率,同時要求調(diào)速范圍盡量大;
(4)要求電機(jī)不僅驅(qū)動性能好,還要兼顧發(fā)電機(jī)的功能,且要求發(fā)電效率高。
(5)驅(qū)動電機(jī)必須要求到達(dá)汽車級,一般工業(yè)級電機(jī)是不能直接用于汽車的。
(6)電動汽車內(nèi)部相對空間狹小,要求驅(qū)動電機(jī)重量輕、體積小。
三、約束驅(qū)動電機(jī)的主要指標(biāo)
(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(dá)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(qū)動電機(jī)比較
1)直流電動機(jī)
①直流電動機(jī)外形圖及內(nèi)部結(jié)構(gòu)(見圖1、圖2)
圖1 直流電動機(jī)外形圖
圖2 直流電動機(jī)零部件圖
②優(yōu)點:電機(jī)技術(shù)較為成熟,有著控制方式容易,調(diào)速優(yōu)良的特點。
③缺點:機(jī)械結(jié)構(gòu)。如電刷和機(jī)械換向器等;瞬時過載能力不足;電機(jī)轉(zhuǎn)速提高受到限制;在長時間工作時,電機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生損耗,提高了維護(hù)成本;電動機(jī)運轉(zhuǎn)時電刷冒出的火花使轉(zhuǎn)子發(fā)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(jī),在調(diào)速電動機(jī)領(lǐng)域內(nèi)有著最為廣泛的應(yīng)用,早期大部分的電動汽車都采用直流電動機(jī)作為驅(qū)動電機(jī)。但是其缺點較為明顯,長期無法克服,目前的電動汽車已經(jīng)基本將直流電機(jī)淘汰。
2)交流異步電動機(jī)
①交流電動機(jī)外形圖及內(nèi)部結(jié)構(gòu)(見圖3、圖4)
圖3 交流電動機(jī)外形圖
圖4 交流電動機(jī)零部件圖
②優(yōu)點:定、轉(zhuǎn)子由硅鋼片疊壓而成,兩端用鋁蓋封裝,定、轉(zhuǎn)子之間沒有相互接觸的機(jī)械部件,結(jié)構(gòu)簡單,運行可靠耐用,維修方便。交流異步電機(jī)具有效率高、比功率較大、適合于高速運轉(zhuǎn)等優(yōu)勢。
③缺點:高速運轉(zhuǎn)的情況下電機(jī)的轉(zhuǎn)子發(fā)熱嚴(yán)重,工作時要保證電機(jī)冷卻,同時異步電機(jī)的驅(qū)動、控制系統(tǒng)很復(fù)雜,電機(jī)本體的成本也偏高。與永磁式電動機(jī)和開關(guān)磁阻電機(jī)相比,異步電機(jī)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(jī)是目前工業(yè)中應(yīng)用十分廣泛的一類電機(jī),已經(jīng)大規(guī)模化生產(chǎn)。目前不少電動汽車廠家選用交流異步電機(jī)作為啟動電機(jī),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(yīng)用上,交流異步電機(jī)生命力較強(qiáng)。
3)永磁式電動機(jī)
①永磁式電動機(jī)外形圖及內(nèi)部結(jié)構(gòu)(見圖5、圖6)
圖5永磁式電動機(jī)外形圖及內(nèi)部結(jié)構(gòu)
圖6永磁式電動機(jī)及控制器
②分類:永磁式電動機(jī)根據(jù)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(jī),它具有矩形脈沖波電流;另一種是永磁同步電機(jī),它具有正弦波電流。
③優(yōu)點:冷卻相對容易,工作時不會產(chǎn)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(jī)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(chǎn)生磁性衰退的現(xiàn)象,容易發(fā)生損壞。而且永磁材料價格較高,因此整個電機(jī)及其控制系統(tǒng)成本較高。
⑤基本趨勢:目前永磁電機(jī)在電動汽車?yán)镆呀?jīng)是主流電機(jī)。
4)開關(guān)磁阻電機(jī)
①開關(guān)磁阻電機(jī)外形圖及內(nèi)部結(jié)構(gòu)(見圖7)
圖7開關(guān)磁阻電機(jī)外形圖及內(nèi)部結(jié)構(gòu)
②優(yōu)點:開關(guān)磁阻電機(jī)的結(jié)構(gòu)最為簡單,定、轉(zhuǎn)子均為普通硅鋼片疊壓而成的雙凸極結(jié)構(gòu),轉(zhuǎn)子上沒有繞組,定子裝有簡單的集中繞組,具有結(jié)構(gòu)簡單堅固、可靠性高、質(zhì)量輕、成本低、效率高、溫升低、易于維修等諸多優(yōu)點。
③缺點:開關(guān)磁阻電機(jī)作為一種新型電機(jī),目前產(chǎn)品性能有待完善和提升。
④基本趨勢:相比其他類型的驅(qū)動電機(jī)而言,它具有直流調(diào)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(qū)動電機(jī)使用。
⑤基本結(jié)論:作為電動汽車驅(qū)動電機(jī)使用,直流電機(jī)和永磁式電機(jī)在結(jié)構(gòu)和面對復(fù)雜的工作環(huán)境適應(yīng)性太差,很容易發(fā)生機(jī)械和退磁的故障。開關(guān)磁阻電機(jī)應(yīng)用到電動汽車是必然的趨勢。
五、電動汽車驅(qū)動電機(jī)的選配原則
1)用技術(shù)成熟的,但是不能用技術(shù)淘汰的產(chǎn)品;
2)用最新技術(shù)的,但是性能要穩(wěn)定的產(chǎn)品;
3)當(dāng)下電動物流專用車原則上選用永磁同步電機(jī);
4)電動車大客車原則上也選用永磁同步電機(jī),不過選用采用矢量控制的控制方式交流異步電機(jī),也是一種較好的方案。
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