电动汽车电驱系统分类、技术趋势和主流电驱系统介绍 1 综述 电动汽车驱动电机及其控制系统是电动汽车的心脏,是把电能转化为机械能来驱动车辆的 部件。它的任务是在驾驶人的控制下,高效率地将动力电池的能量转化为车轮的动能,或 者将车轮上的动能反馈到动力电池中。电能和机械能的相互转化在电机转子和定子间的气 隙形成。 2 纯电动汽车电动机驱动系统分类 单电动机:有差速减速器,无离合器和传动装置,需要低速大转矩且速度变化区域大的电 动机,电动机与逆变器的容量大。 双电动机:前后驱动和双轮毂电动机两类,双轮毂电动机及逆变器制造成本高。 四轮毂电动机:结构更紧凑,效率最高。 3 新能源汽车驱动电动机需满足的性能 汽车运行功能、舒适性、适应环境、一次充电的续驶里程、耐温、耐潮湿、噪音低、结构 简单、维修方便等。 (1)低速大转矩特性及较宽范围内的恒功率特性 (2)在整个运行范围内的高效率、低损耗 (3)体积小,重量轻 (4)可靠性好、耐温和耐潮性能强,能够在较恶劣的环境下长期工作。 (5)价格低 (6)高电压(尽量高电压,减小电机尺寸和线束尺寸,降低逆变器成本) (7)电气系统安全性高(符合相关车辆电气控制安全性能的标准和规定。) (8)高转速(体积小,重量轻) (9)在车辆减速时实现制动能量回收并反馈蓄电池。 4 电驱动系统的结构形式 (1)传统的驱动系统 电动机替代发动机。 仍然采用内燃机汽车的传动系统,包括离合器、变速器、传动轴和驱动桥等总成。 有电动机前置、驱动桥前置(F-F),电动机前置、驱动桥后置(F-R)等各种驱动模式。 结构复杂,效率低,不能充分发挥电动机的性能。 (2)简化的传统驱动系统 采用固定速比减速器,去掉离合器,可减少机械传动装置的质量、缩小其体积。 (3)电动机—驱动桥整体式驱动系统 与发动机横向前置、前轮驱动的内燃机汽车的布置方式类似。 把电动机、固定速比减速器和差速器集成为一个整体,两根半轴连接驱动车轮。 传动机构紧凑,传动效率较高,安装方便,在小型电动汽车上应用最普遍。 (4)双电动机驱动系统 采用两个电动机通过固定速比减速器分别驱动两个车轮。 每个电动机的转速可以独立的调节控制,便于实现电子差速,不必选用机械差速器。 电子差速器的优点是体积小、质量轻,在汽车转弯时可以实现精确的电子控制,提高电动 汽车的性能;其缺点是由于增加了电动机和功率转换器,增加了初始成本,而且在不同条 件下对两个电动机进行精确控制的可靠性需要进一步发展。 (5)内转子电动轮驱动系统 电动机装在车轮内,形成轮毂电动机,可进一步缩短从电动机到驱动轮的传递路径。 采用高速内转子电动机(约 10000r/min),需装固定速比减速器降低车速。一般采用高减速 比行星齿轮减速装置,安装在电动机输出轴和车轮轮缘之间,且输入和输出轴可布置在同 一条轴线上。 高速内转子电动机具有体积小、质量轻和成本低的优点,但它需要加行星齿轮变速机构。 (6)外转子电动轮驱动系统 采用低速外转子电动机,可完全去掉变速装置。 电动机外转子直接安装在车轮轮缘上,电动机转速和车轮转速相等,车轮转速和车速控制 完全取决于电动机的转速控制。 低速外转子电动机结构简单,无需齿轮变速传动机构,但其体积大、质量大、成本高。 5 直流电动机 优点:起步加速牵引力大,控制性能好,控制系统简单,成本低。 缺点:机械转向器会产生火花,转速不能太高,过载能力、转速范围、功率体积比、功率 质量比、系统效率、使用维护等受到限制。 直流电动机的驱动特性 在恒转矩区,励磁电流保持不变,改变电枢电压控制转矩。 在恒功率区,电枢电压保持不变,改变励磁电流或弱磁控制转矩。 直流电动机的驱动特性 电动汽车专用的直流电动机应具有的特点 电枢轴要延长,便于安装测速脉冲发生器和推力轴接头。 转子直径要设计的小些,轴长要设计的长些。 为了便于散热,电枢槽要比实际多一些。 为了换向器片、电刷等的定期检查和维护,检查口应制造的大些。 由于震动,为了防止电刷的误动作,应提高电刷的预压紧力。 电动汽车专用的直流电动机需要考虑的事项有:耐高温性、抗震动性、低损耗性、抗负荷 波动、小型轻量化、解决免维护性等。 6 交流电动机 (1)同步电动机:转子转速与定子旋转磁场的转速相等。 又分为绕线式和永磁式。 (2)异步电动机:转子转速不等于定子旋转磁场的转速。 优点:结构简单,价格便宜,运行可靠,维护方便,效率较高。 缺点:功率因数低。 电动汽车用交流异步电动机具有以下特点: 高速低转矩时运转效率高。 低速时有高转矩,并有宽泛的速度范围。 易实现转速超过 10000r/min 的高速旋转。 小型轻量化。 高可靠性。 制造成本低。 控制装置的简单化。 永磁同步电机的驱动特性 异步电动机是多变量系统,电压、电流、频率、磁通、转速相互影响。 异步电动机的调速控制:矢量控制,直接转矩控制,转速控制,变频恒压控制,自适应控 制,效率优化控制等。 7 永磁电动机 根据输入电动机接线端的电流种类可分为:永磁直流电动机,永磁交流电动机(永磁无刷 电动机,没有电刷、滑环或换向器) 根据输入电动机接线端的交流波形永磁无刷电动机可分为:永磁同步电动机、永磁无刷直 流电动机 现有的永磁电动机可分为永磁直流电动机、永磁同步电动机、永磁无刷直流电动机和永磁 混合式电动机四类(后三种称为永磁无刷电动机)。 根据永磁体在转子上的位置不同,永磁同步电动机可分为:内置式永磁同步电动机(SPM)、 外置式永磁同步电动机(IPM) 需要研究解决的问题: (1)电动机效率:低速效率较低。 (2)电动机的弱磁能力:转速升高,电机电压升高,要继续升高转速,只有调节定子电 流来等效弱磁提高转速。磁路磁阻较大,弱磁能力较小。 优点: 较高的“功率/质量”比(转子上无绕组、无铜耗、磁通量小,在低负荷时铁损很小)。 更高的频率、更大的输出转矩。 电机的动态性能好。 电机的极限转速和制动性能等都优。 其冷却系统相对比较简单。 恒转矩区比较长。 电机最高转速