人類與環(huán)境共存和全球經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展使人們迫切希望尋求到一種低排放和有效利用資源的交通工具,使用電動(dòng)汽車無疑是一種很有希望的方案。
現(xiàn)代電動(dòng)汽車是融合了電力、電子、機(jī)械控制、材料科學(xué)以及化工技術(shù)等多種高新技術(shù)的綜合產(chǎn)品。整體的運(yùn)行性能、經(jīng)濟(jì)性等首先取決于電池系統(tǒng)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)。
典型的電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),由電池供電給逆變器,通常會(huì)有一個(gè)變速箱來帶動(dòng)整個(gè)車輛。這個(gè)控制系統(tǒng)帶有傳感器,控制器現(xiàn)在都發(fā)展成數(shù)字化,電動(dòng)機(jī)的變化不是很多。與工業(yè)應(yīng)用相比,汽車應(yīng)用是個(gè)不同的概念。工業(yè)應(yīng)用空間不受限制,用標(biāo)準(zhǔn)封裝模式來應(yīng)用還是可行的,但是對(duì)于汽車應(yīng)用來講,空間是有限的,每一套系統(tǒng)都根據(jù)特定車型來訂制,尤其混合動(dòng)力汽車體現(xiàn)非常明顯。在可靠性方面,工業(yè)應(yīng)用可靠性很高,但是不管從哪方面講,工業(yè)應(yīng)用的等級(jí)還是不如汽車應(yīng)用,因?yàn)樗麄兊哪康氖遣煌摹T诠I(yè)應(yīng)用中,主要是保證應(yīng)用效率的可靠性,但是在汽車應(yīng)用中,電動(dòng)機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的可靠性涉及到乘車者的安全,所以可靠性要求非常高。冷卻方式上工業(yè)應(yīng)用是風(fēng)冷,汽車應(yīng)用是水冷。控制性能方面工業(yè)應(yīng)用多為變頻調(diào)速控制,其動(dòng)態(tài)性能差,而汽車應(yīng)用里,需要精確的力矩控制,動(dòng)態(tài)性能好。
目前車用電驅(qū)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)主要有永磁化、數(shù)字化和集成化。
永磁磁阻電動(dòng)機(jī)效率高,比功率較大,功率因數(shù)高。數(shù)字化是電驅(qū)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的核心。電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)集成有兩種方式,一種是電動(dòng)機(jī)跟發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)合,一種是電動(dòng)機(jī)跟變速箱結(jié)合。還有一種趨勢(shì)是做電力電子的集成,現(xiàn)在驅(qū)動(dòng)控制器產(chǎn)品中,國(guó)際最高水平是17.2kW。采用混合電力電子集成技術(shù),核心是采用高功能集成模塊,采用新型薄膜電容一體化的技術(shù)。
電動(dòng)汽車的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)一般由4個(gè)主要部分組成,即控制器、功率變換器、電動(dòng)機(jī)及傳感器。電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)式電動(dòng)汽車(EV)和混合電動(dòng)汽車(HEV)的心臟。電動(dòng)機(jī)將電能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能推動(dòng)車輛,或反之將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能進(jìn)行再生制動(dòng)和對(duì)車載儲(chǔ)能裝置充電。目前電動(dòng)汽車中使用的電動(dòng)機(jī)一般有直流電動(dòng)機(jī)、感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)以及永磁無刷電動(dòng)機(jī)等。
一、電動(dòng)汽車對(duì)電動(dòng)機(jī)的基本要求
電動(dòng)汽車的運(yùn)行,與一般的工業(yè)應(yīng)用不同,非常復(fù)雜。用于電動(dòng)汽車的電動(dòng)機(jī)通常要求頻繁地起動(dòng)和停車、高變化率的加速度/減速度、高轉(zhuǎn)矩且低速爬坡、低轉(zhuǎn)矩而高速行駛以及非常寬的運(yùn)行速度范圍。因此,對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的要求是很高,主要由以下特點(diǎn):
1.1電動(dòng)汽車用電動(dòng)機(jī)應(yīng)具有瞬時(shí)功率大,過載能力強(qiáng)、過載系數(shù)(應(yīng)為3~4),加速性能好,使用壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)。
1.2電動(dòng)汽車用電動(dòng)機(jī)應(yīng)具有寬廣的調(diào)速范圍,包括恒轉(zhuǎn)矩區(qū)和恒功率區(qū)。在恒轉(zhuǎn)矩區(qū),要求低速運(yùn)行時(shí)具有大轉(zhuǎn)矩,以滿足起動(dòng)和爬坡的要求;在恒功率區(qū),要求低轉(zhuǎn)矩時(shí)具有高的速度,以滿足汽車在平坦的路面能夠高速行駛的要求。
1.3電動(dòng)汽車用電動(dòng)機(jī)應(yīng)能夠在汽車減速時(shí)實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng),將能量回收并反饋回蓄電池,使得電動(dòng)汽車具有最佳能量的利用率,這在內(nèi)燃機(jī)汽車上是不能實(shí)現(xiàn)的。
1.4電動(dòng)汽車用電動(dòng)機(jī)應(yīng)在整個(gè)運(yùn)行范圍內(nèi),具有高的效率,以提高1次充電的續(xù)駛里程。
另外還要求電動(dòng)汽車用電動(dòng)機(jī)可靠性好,能夠在較惡劣的環(huán)境下長(zhǎng)期工作,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單適應(yīng)大批量生產(chǎn),運(yùn)行時(shí)噪聲低,使用維修方便,價(jià)格便宜等。
二、電動(dòng)汽車用電動(dòng)機(jī)的種類和控制方法
2.1直流電動(dòng)機(jī)
有刷直流電動(dòng)機(jī)被廣泛用于要求轉(zhuǎn)速可調(diào)、調(diào)速性能好,以及頻繁起動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)的場(chǎng)合。它的主要優(yōu)點(diǎn)是控制簡(jiǎn)單、技術(shù)成熟,具有交流電機(jī)不可比擬的優(yōu)良控制特性,已廣泛用于不同的電力牽引應(yīng)用系統(tǒng)中。在早期開發(fā)的電動(dòng)汽車上多采用直流電動(dòng)機(jī),即使到現(xiàn)在,還有一些電動(dòng)汽車上仍使用直流電動(dòng)機(jī)來驅(qū)動(dòng)。但由于存在電刷和機(jī)械換向器,不但限制了電機(jī)過載能力與速度的進(jìn)一步提高,而且如果長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行,勢(shì)必要經(jīng)常維護(hù)和更換電刷和換向器。另外,由于損耗存在于轉(zhuǎn)子上,使得散熱困難,限制了電機(jī)轉(zhuǎn)矩質(zhì)量比的進(jìn)一步提高。鑒于直流電動(dòng)機(jī)存在以上缺陷,在新研制的電動(dòng)汽車上已基本不采用直流電動(dòng)機(jī)。
2.2交流三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)
2.2.1交流三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的基本性能
交流三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)是應(yīng)用得最廣泛的電動(dòng)機(jī)。其定子和轉(zhuǎn)子采用硅鋼片疊壓而定子之間沒有相互接觸的滑環(huán)、換向器等部件。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,運(yùn)行可靠,經(jīng)久耐用。交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的功率覆蓋面很寬廣,轉(zhuǎn)速達(dá)到12000~15000r/min。可采用空氣冷卻或液體冷卻方式,冷卻自由度高。對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性好,能夠?qū)崿F(xiàn)再生反饋制動(dòng)。與同樣功率的直流電動(dòng)機(jī)相比較,效率較高,質(zhì)量減輕一半左右,價(jià)格便宜,維修方便。
2.2.2交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)
由于交流三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)不能直接使用蓄電池供給的直流電,另外交流三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)具有非線性輸出特性。因此,在采用交流三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)汽車上,需要應(yīng)用逆變器中的功率半導(dǎo)體器件,將直流電變?yōu)轭l率和幅值都可以調(diào)節(jié)的交流電來實(shí)現(xiàn)對(duì)交流三相電動(dòng)機(jī)的控制。主要有v/f控制法、轉(zhuǎn)差頻率控制法。
用矢量控制法,對(duì)交流三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁繞組交流電的頻率和輸入交流三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的端調(diào)控制,控制交流三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的磁通量和轉(zhuǎn)矩,實(shí)現(xiàn)改變交流三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)矩,來滿足負(fù)載變化特性的要求,并能夠獲得最高效率,從而使得交流三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)能夠在電動(dòng)汽車上得到廣泛應(yīng)用。
2.2.3交流三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的不足
交流三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的耗電量較大,轉(zhuǎn)子容易發(fā)熱,在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)需要保證對(duì)交流三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的冷卻,否則會(huì)損壞電動(dòng)機(jī)。交流三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)較低,使得變頻變壓裝置的輸入功率因數(shù)也較低,因此需要采用大容量的變頻變壓裝置。交流三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)的造價(jià)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于交流三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)本身,增加了電動(dòng)汽車的成本。另外,交流三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速性也較差。
2.3永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)
2.3.1永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的基本性能
永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)是一種高性能的電動(dòng)機(jī)。它的最大特點(diǎn)就是具有直流電動(dòng)機(jī)的外特性而沒有機(jī)械式換向器和電刷組成的機(jī)械接觸結(jié)構(gòu),因此機(jī)械摩擦損耗低,效率高。加之,它采用永磁體轉(zhuǎn)子,沒有勵(lì)磁損耗,即發(fā)熱的電樞繞組裝在外面的定子上,散熱容易,因此,永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)沒有換向火花,沒有無線電干擾,壽命長(zhǎng),運(yùn)行可靠,維修簡(jiǎn)便。此外,它的轉(zhuǎn)速不受機(jī)械換向的限制,如果采用空氣軸承或磁懸浮軸承,可以在每分鐘高達(dá)幾十萬轉(zhuǎn)運(yùn)行。永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)機(jī)系統(tǒng)相比具有更高的能量密度和更高的效率,在電動(dòng)汽車中有著很好的應(yīng)用前景。
2.3.2永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)
典型的永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)是一種準(zhǔn)解耦矢量控制系統(tǒng),由于永磁體只能產(chǎn)生固定幅值磁場(chǎng),因而永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)非常適合于運(yùn)行在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)域,一般采用電流滯環(huán)控制或電流反饋型SPWM法來完成。為進(jìn)一步擴(kuò)充轉(zhuǎn)速,永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)也可以采用弱磁控制。弱磁控制的實(shí)質(zhì)是使相電流相位角超前,提供直軸去磁磁勢(shì)來削弱定子繞組中的磁鏈。
2.3.3永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的不足
永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)受到永磁材料工藝的影響和限制,使得永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的功率范圍較小,最大功率僅幾十千瓦。永磁材料在受到振動(dòng)、高溫和過載電流作用時(shí),其導(dǎo)磁性能可能會(huì)下降或發(fā)生退磁現(xiàn)象,將降低永磁電動(dòng)機(jī)的性能,嚴(yán)重時(shí)還會(huì)損壞電動(dòng)機(jī),在使用中必須嚴(yán)格控制,使其不發(fā)生過載。永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)在恒功率模式下,操縱復(fù)雜,需要一套復(fù)雜的控制系統(tǒng),從而使得永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)造價(jià)很高。
2.4開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)
2.4.1開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的基本性能
開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)是一種新型電動(dòng)機(jī),該系統(tǒng)具有很多明顯的特點(diǎn):它的結(jié)構(gòu)比其它任何一種電動(dòng)機(jī)都要簡(jiǎn)單,在電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子上沒有滑環(huán)、繞組和永磁體等,只是在定子上有簡(jiǎn)單的集中繞組,繞組的端部較短,沒有相間跨接線,維護(hù)修理容易。因而可靠性好,轉(zhuǎn)速可達(dá)15000r/min。效率可達(dá)85%~93%呢,比交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)要高。損耗主要在定子,電機(jī)易于冷卻;轉(zhuǎn)子元永磁體,調(diào)速范圍寬,控制靈活,易于實(shí)現(xiàn)各種特殊要求的轉(zhuǎn)矩一速度特性,而且在很廣的范圍內(nèi)保持高效率。更加適合電動(dòng)汽車動(dòng)力性能要求。
2.4.2開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)
開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)具有高度的非線性特性,因此,它的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)較為復(fù)雜。它的控制系統(tǒng)包括功率變換器、控制器和位置傳感器。
a.功率變換器
開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁繞組,無論通過正向電流或反向電流,其轉(zhuǎn)矩方向不變,期換向,每相只需要一個(gè)容量較小的功率開關(guān)管,功率變換器電路較簡(jiǎn)單,不會(huì)出現(xiàn)直通故障,可靠性好,易于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的軟啟動(dòng)和四象限運(yùn)行,具有較強(qiáng)的再生制動(dòng)能力。成本比交流三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的逆變器控制系統(tǒng)要低。
b.控制器
控制器由微處理器、數(shù)字邏輯電路等元件組成。微處理器根據(jù)駕駛員輸入的命令,同時(shí)對(duì)位置檢測(cè)器、電流檢測(cè)器所反饋的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位置,進(jìn)行分析、處理,并在瞬間做出決策,發(fā)出一系列執(zhí)行命令,來控制開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)適應(yīng)電動(dòng)汽車不同條件下運(yùn)行。控制器性能好壞和調(diào)節(jié)的靈活性,取決于微處理器的軟件和硬件的性能配合關(guān)系。
c.位置檢測(cè)器
開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)需要高精度的位置檢測(cè)器,來為控制系統(tǒng)提供電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的位置、轉(zhuǎn)速和電流的變化信號(hào),并要求有較高的開關(guān)頻率以降低開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的噪聲。
2.4.3開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的不足
開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)比其他電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)復(fù)雜一些,位置檢測(cè)器是開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵器件,其性能對(duì)開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的控制操作有重要影響。由于開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)為雙凸極結(jié)構(gòu),不可避免地存在轉(zhuǎn)矩波動(dòng),噪聲是開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)最主要的缺點(diǎn)。但近年來的研究表明,采用合理的設(shè)計(jì)、制造和控制技術(shù),開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的噪聲完全可以得到良好的抑制。另外,由于開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩波動(dòng)較大,功率變換器的直流電流波動(dòng)也較大,所以在直流母線上需要裝置一個(gè)很大的濾波電容器。
三、電動(dòng)汽車采用的各種驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)性能比較
電動(dòng)汽車在不同的歷史時(shí)期采用了不同的電動(dòng)是采用了控制性能最好和成本較低的直流電動(dòng)機(jī)。隨著電機(jī)技術(shù)、機(jī)械制造技術(shù)、電力電子技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的不斷發(fā)展,交流電動(dòng)機(jī),永磁元刷直流電動(dòng)機(jī)和開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)顯示出比直流電動(dòng)機(jī)更加優(yōu)越的性能,在電動(dòng)汽車上,這些電動(dòng)機(jī)逐步取代了直流電動(dòng)機(jī)。目前交動(dòng)機(jī)、永磁電動(dòng)機(jī)和開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)以及它們的控制裝置,成本還比較高,形成批量生產(chǎn)以后,這些電動(dòng)機(jī)和單元控制裝置的價(jià)格會(huì)迅速降低,將能夠滿足經(jīng)濟(jì)效益的要求,并使電動(dòng)汽車整車價(jià)格降低。