電動汽車電機的國內外技現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

1、電動汽車電機的國內外技現(xiàn)狀與發(fā)電動汽車電機的國內外技現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢展趨勢電動汽車電機的國內外技現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢電動汽車的發(fā)展趨勢國內電動汽車用電機的種類及各自特點未來電動汽車用電機發(fā)展趨勢結束語目錄目錄12341 1、電動汽車的發(fā)展趨勢、電動汽車的發(fā)展趨勢 石油能源是不可再生能源和污染性能源，隨著我國汽車保有量的逐年攀升，汽車尾氣污染日益成為大氣主要污染源之一。為了實現(xiàn)資源的高效利用，節(jié)省能源，降低污染物排放，以電力發(fā)電來替代燃油發(fā)電的電動汽車逐漸成為了新寵。 近年來，政府在政策等各個方面給予電動汽車許多優(yōu)惠條件，旨在鼓勵、發(fā)展和使用電動汽車。作為電動汽車的核心組成部件，不論是純電動汽車（EV）

2、、混合電動汽車（HEV）還是燃料電池汽車（FCEV），電機控制系統(tǒng)都是其核心的關鍵性組成部件，是電動汽車整車功能的集成和優(yōu)化的最為核心的單元部件，電控系統(tǒng)的安全可靠性如何會直接影響到整個電動汽車運行的穩(wěn)定和安全，可以說，電動汽車中的電機控制系統(tǒng)是整個汽車產(chǎn)業(yè)信息化轉型的重要方面內容。2 2、國內電動汽車用電機的種類及各自特點、國內電動汽車用電機的種類及各自特點2.1、直流電動機（DC）2.2、異步電動機（IM）2.3、永磁電動機（BDCM 和PMSN）2.4、開關磁阻電動機（SRM）各種電動機的性能比較各種電動機的性能比較2.12.1、直流電動機（、直流電動機（DCDC）直流電動機結構較為簡單

3、，是電動汽車中較早使用的驅動系統(tǒng)。2.1.12.1.1直流電機原理直流電機原理 直流電動機就是將直流電能轉換成機械能的電動機，是電動機的主要類型之一。電動機的定子繞組多做成三相對稱星形接法，同三相異步電動機十分相似。電動機的轉子上粘有已充磁的永磁體 ，為了檢測電動機轉子的極性，在電動機內裝有位置傳感器。驅動器由功率電子器件和集成電路等構成，其功能是：接受電動機的啟動、停止、制動信號，以控制電動機的啟動、停止和制動；接受位置傳感器信號和正反轉信號，用來控制逆變橋各功率管的通斷，產(chǎn)生連續(xù)轉矩；接受速度指令和速度反饋信號，用來控制和調整轉速；提供保護和顯示等等。 直流電機的驅動特性直流電機的驅動特性

4、2.1.22.1.2直流電機的特點及優(yōu)缺點直流電機的特點及優(yōu)缺點1）調速性能好。直流電動機可以在重負載條件下，實現(xiàn)均勻、平滑的無極調速，而調速范圍較寬。2）啟動動力矩大。3）控制比較簡單。4）有易損件。 直流電機控制簡單，控制技術成熟，一般通過電樞控制和弱磁控制來控制轉速，為滿足電動汽車運行要求，通常在恒轉矩區(qū)采用電樞控制以得到較大的平穩(wěn)轉矩，在恒功率區(qū)采用弱磁控制以得到較高轉速。但直流電機利用電刷實現(xiàn)機械換向，電刷磨損很快， 需要經(jīng)常維護，換向火花的存在限制了電機的高速運行，且電機體積大，制造成本高。所以新研制的輪轂電機大都不采用直流電機。1.21.2異步電機異步電機 異步電動機又稱感應電動

5、機，根據(jù)電磁力定律，載流的轉子導體在磁場中受到電磁力作用，形成電磁轉矩，驅動轉子旋轉，當電動機軸上帶機械負載時，便向外輸出機械能。2.2.12.2.1異步電機的工作原理異步電機的工作原理三相異步電動機的種類很多，但各類三相異步電動機的基本結構是相同的，它們都由定子和轉子這兩大基本部分組成，在定子和轉子之間具有一定的氣隙。此外，還有端蓋、軸承、接線盒、吊環(huán)等其他附件當繞組接通三相電源時，就在繞組中產(chǎn)生一個旋轉磁場，以n1的轉速旋轉，并以全速切割轉子，在轉子鼠籠中產(chǎn)生感應電動勢，因為鼠籠是閉合的，此電勢形成電流，產(chǎn)生磁場，與定子的磁場作用開始旋轉、加速。三相異步電動機的轉速永遠低于旋轉磁場的同步轉

6、速，使轉子和旋轉磁場間有相對運動，從而保證轉子的閉合導體切割磁力線，感生電流，產(chǎn)生轉矩。2.2.2.2.異步電機技術特點及優(yōu)缺點異步電機技術特點及優(yōu)缺點1）基本特點：轉子繞組不需與其他電源相連，器定子電流直接取自交流電力系統(tǒng)；與其他電動機相比，異步電動機的結構簡單，制造、使用、維護方便，運行可靠性高，質量輕，成本低。小型輕量化。易實現(xiàn)轉速超過10 000r/min 的高速旋轉。高速低轉矩時運轉效率高。 低速時有高轉矩，以及有寬泛的速度控制范圍。高可靠性（堅固）。制造成本低。 控制裝置的簡單化。異步電動機的基本特點是，轉子繞組不需與其他電源相連，其定子電流直接取自交流電力系統(tǒng)；與其他電機相比，異

7、步電動機的結構簡單，制造、使用、維護方便，運行可靠性高，重量輕，成本低。以三相異步電動機為例，與同功率、同轉速的直流電動機相比，前者重量只及后者的二分之一，成本僅為三分之一。在大功率、低轉速場合(如拖動球磨機、壓縮機等)不如用同步電動機合理。2）局限性：它的轉速與其旋轉磁場的同步轉速有固定的轉差率，因而轉速性能較差，在要求有較寬廣的平滑調速范圍的使用場合，不如直流電動機經(jīng)濟、方便。此外，運行時從電力系統(tǒng)吸取無功功率以勵磁，這回導致電力系統(tǒng)的功率因數(shù)變壞。所以在大功率、低轉速場合不如同步電動機合理。目前電動汽車上主要使用籠型異步電動機。2.32.3永磁同步電機永磁同步電機永磁同步電機具有高效、高

8、控制精度、高轉矩、良好的轉矩平穩(wěn)及低振動噪聲的特點，通過合理設計永磁磁路結構能夠獲得較高的弱磁性能，能在電動驅動方面具有很高的應用價值。2.3.12.3.1永磁同步電機的工作原理永磁同步電機的工作原理永磁同步電機在結構上與永磁無刷直流電機類似，只是它通過正弦波驅動。根據(jù)轉子上永磁體安裝方式的不同，一般可以分為表面式和內置式，其中表面式適用于低速電機，內置式適用于高速電機。相對于無刷直流電機，永磁同步電機具有低噪聲，大功率密度，小轉動慣量，高控制精度等優(yōu)勢，并且可以實現(xiàn)弱磁調速，提高恒功率運行的范圍，特別適合作為電動汽車用輪轂電機。永磁同步電機基于三相交流電供電工作，其數(shù)學模型比較復雜， 控制方

9、法也非常復雜。常用的控制方法有矢量控制和直接轉矩控制。2.3.22.3.2永磁同步電機的特點及優(yōu)缺點永磁同步電機的特點及優(yōu)缺點永磁同步電機與其他電機相比有以下優(yōu)點：（1）無刷運行、結構簡單、運行可靠。（2）對負載變化而引起的電動機擾動有較強的承受能力。（3）控制簡單，控制電源頻率就可以控制電機轉動。（4）可以在很低的轉速下保持同步運行，調速范圍寬。（5）體積小，質量輕。永磁同步電機與有以下缺點：（1）轉子為永磁體，無法調節(jié)，必須通過加定子直軸去磁電流分量來削弱磁場，這回增大定子的電流，增加電動機的銅耗。（2)永磁電動機的磁鋼價格較高。 由此可見，永磁電動機體積小，質量輕，轉動慣量小，功率密度高

10、，適合電動汽空間有限的特點需要；另外轉矩慣量比大，過載能力強，尤其低轉矩時輸出轉巨大，適合電動機的啟動加速。因此，永磁電動機得到國內外電動汽車界的廣泛重視，并得到了普遍應用。2.42.4開關磁阻電動機開關磁阻電動機開關磁阻電動機是繼交流電動機和直流電動機后，又一極具發(fā)展?jié)摿Φ男滦碗妱訖C。是集現(xiàn)代微電子技術、數(shù)字技術、電力電子技術、紅外光電技術及現(xiàn)代電磁理論、設計和制作技術為一體的光、機、電一體化高新技術。它具有調速系統(tǒng)兼具直流、交流兩類調速系統(tǒng)的優(yōu)點。2.4.12.4.1開關磁阻電動機的原理開關磁阻電動機的原理下圖為四相8 /6 極開關磁阻電機的結構原理圖。SM 的定子繞組產(chǎn)生的磁場遵循“磁阻

11、最小原理”，對轉子產(chǎn)生磁拉力，從而形成磁阻性質的電磁轉矩。2.4.22.4.2開關磁阻電動機的特點開關磁阻電動機的特點（1）開關磁阻電動機有較大的電動機利用系數(shù)，可以是感應電動機利用系數(shù)的1.21.4倍。（2)具有制造工序少、成本低、工作可靠、維修量小等特點。 (3)開關磁阻電動機驅動系統(tǒng)SED線路簡單，可靠性高，成本低于PWM交流調速系統(tǒng)。 (4)開關磁阻電動機轉子的結構形式對轉速限制小，可制成高轉速電動機，而且轉子的轉動慣量小，在電流每次換相時又可以隨時改變相匝轉矩的大小和方向，因而系統(tǒng)有良好的動態(tài)響應。(5)由于SR開關磁阻電動機采用了獨特的結構和設計方法以及相應的控制技巧，其單位處理可

12、以與感應電動機相媲美，甚至還略占優(yōu)勢。SRD系統(tǒng)的效率和功率密度在寬廣的速度和負載范圍內都可以維持在教導水平。開關磁阻電動機驅動系統(tǒng)SRD系統(tǒng)的主要缺點是：(1)有轉矩脈動。從工作原理可知，S開關磁阻電動機轉子上產(chǎn)生的轉矩是由一些列脈沖轉矩疊加而成的，由于雙凸極結構和磁路飽和非線性的影響，合成轉矩不是一個恒定轉矩，而有一定的諧波分量，這影響了SR電動機低速運行性能。(2) SR電動機傳動系統(tǒng)的噪聲與震動比一般電動機大。(3)SR電動機的出線頭較多，如三相SR 電動機至少有四根出線頭，四相SR電動機至少有五根出線頭，而且還有位置檢測器出線端。3 3、電機發(fā)展趨勢、電機發(fā)展趨勢 根據(jù)電動汽車“十二

13、五”專項規(guī)劃對新能源汽車 驅 動 電 機 系 統(tǒng) 的 性 能 要 求 ： 電 機 功 率 密 度2.7kW/kg，電機扭矩密度55 Nm/L，控制器質量密度6.0 kVA/kg，控制器體積密度8.0 kVA/L，系統(tǒng)最高效率94%，系統(tǒng)高效區(qū)（效率80 區(qū)域）75%，壽命30 萬km。系統(tǒng)成本：乘用車200 元/kW，商用車300 元/kW7。另一方面受電池技術的制約，電機的啟動性能、加速性能、低速時的效率、制動及滑行時的能量再生能力、電機的過載能力、電機的能量密度及電機可靠性是衡量電動車輛驅動電機好壞的重要指標。（1）驅動電機的功率密度不斷提高。驅動電機作為動力輸出源，其自身的性能直接影響到

14、了電動汽車的整體性能。除了需要滿足不同工況不同車型的需求，還要受車內空間的限制。這就需要電動轎車用電機向高性能和小尺寸發(fā)展。不斷提高電機本身的功率密度，用相對小巧的電機發(fā)揮出大的功率成為驅動電機未來的發(fā)展趨勢。永磁電機具有高轉矩密度、高功率密度、高效率及高可靠性等優(yōu)點。我國具有世界最為豐富的稀土資源，因此高效節(jié)能、高性能、輕型化永磁電機是我國車用驅動電機的發(fā)展方向。（2）驅動電機高速化，回饋制動范圍寬廣高效化。通過提高電機的工作轉速，減小電機的體積和質量，進而拓寬回饋制動的范圍，采用適當?shù)淖兯傧到y(tǒng)及控制策略，可以使回饋制動的允許范圍拓寬而適應更多工況，使整車節(jié)能更加有效，延長行車里程。（3）驅

15、動電機系統(tǒng)集成化和一體化。未來為了進一步減小驅動電機系統(tǒng)質量和體積，驅動電機系統(tǒng)的集成化程度將會不斷提高。電機、電機控制器、變速箱、減速器、DC- DC 的集成度將會越來越高，從結構集成到控制集成化和系統(tǒng)集成化，電機和變速箱的一體化將會越來越明顯。（4）驅動電機控制系統(tǒng)數(shù)字化。電動轎車用電控制系統(tǒng)集成度越來越高，電機控制器、DC- DC、變速箱控制器、整車控制器進行不同方式的集成。高速、高性能的微處理器使得電驅動系統(tǒng)進入全新的數(shù)字化時代。面向用戶的可視化編程，也可以通過代碼轉化和下載直接進入微處理，不斷提高編程效率和可調試性。（5）開關磁阻電機市場化。未來為滿足消費者對純電動轎車的動力性、經(jīng)濟性需求，需要考慮到純電動轎車的成本、效率、續(xù)駛里程、100 km 能耗、最高速度等問題，在解決開關磁阻電機輸出轉矩脈動大的問題后，擁有結構和控制簡單、效率高、轉速范圍寬、成本低、質量輕等特點