浅谈新能源汽车常用的驱动电机

浅谈新能源汽车常用驱动系统驱动电机是新能源汽车的关键技术之一。本文对电动汽车的几种常用的驱动系统进行了定性分析，对它们的性能进行了比较，指出了它们各自的特点。1、电传动车辆对驱动电机系统的要求电动汽车的运行与一般的工业应用不同，对驱动系统的要求相对较高。首先，要求驱动电机能量效率高，节能减排；其次，低速的时候具有高扭矩，使汽车起步快，低速爬坡性能好，高速的时候具有大功率，最高时速高，高速的超车性能好；第三，具有高恒功率的调速去，电机的成本低；第四，体积小、重量轻，适应汽车的空间布置。另外还要求电动汽车用电动机可靠性好，寿命长，使用维修方便，价格便宜等。车辆驱动电机与普通工业电机比较如表1所示。表1车辆驱动电机与普通工业电机之比较项目工业应用车辆应用封装尺寸空间不受限制，可用标注封装配套各种应用布置空间有限，必须根据具体产品进行特殊设计工作环境环境温度适中（-20～+400C）;静止应用，震动较小温度变化大（-40～+1050C）;震动剧烈可靠性要求较高以保证生产效率很高以保障乘车者安全冷却方式通常为风冷（体积大）通常为水冷（体积小）控制性能动态性能较要求不高需要快速的力矩相应控制，动态性能较好功率密度较低（0.2kw/kg）较高（1-1.5kw/kg）2、电动汽车常用驱动系统2.1直流电机(DCMotor)驱动系统直流电机的定子的主磁极上绕制的励磁绕组通以直流电产生气隙磁场，转子的电枢绕组也通入直流电，通电绕组置于磁场中受安培力作用输出电磁转矩拖动负载运行。直流电机的控制器一般采用脉宽调制(PWM)斩波控制方式，驱动系统成本低，易于平滑调速，控制简单、技术成熟，具有交流电机不可比拟的优良控制特性。但由于直流电机在运行过程中需要电枢和换向器换向，电刷和换向器制约了电机过载能力与速度的进一步提高，电刷需要定期维护，造成了使用的不变，并且直流电机本身的体积大、重量大，防护等级不能做得太高，在新研制的电动汽车上已基本不采用直流电动机。2.2交流感应电机(ACIM)驱动系统交流感应电机定子绕组输入三相对称交流电，在定子绕组中就有励磁电流通过，励磁电流在定子铁芯中产生变磁通和旋转磁场，此时，转子产生感应电动势并有感应电流通过来推动转子作旋转运动，当转子带有机械负荷时，转子电流增加，由于电磁感应作用，定子绕组中的励磁电流也增加。三相异步电机转子结构简单，与定子无直接接触部件，运行可靠，转速高，成本低。电机控制器采用PWM方式实现高压直流到三相交流的电源变换，采用变频调速方式实现电机调速，采用矢量控制或直接转矩控制策略实现电机转矩控制的快速响应，满足负载变化特性的要求，并能够获得较高效率，目前在电动汽车中交流异步电机应用较多。图1为三相异步感应电机驱动系统在电动或燃料电池电动大客车上装车传动形式减速器和差速器三相鼠笼感应驱动电机三相电压型PWM逆变器带微处理器的控制器驾驶员的命令反馈信号图1纯电动或燃料电池电动大客车上装车传动形式三相感应电机的不足之处在于三相感应电机的耗电量较大，转子容易发热，在高速运转时需要保证对三相感应电机的冷却，否则会损坏电动机。三相感应电机的功率因数较低，使得变频变压装置的输入功率因数也较低，因此需要采用大容量的变频变压装置。三相感应电机的控制系统的造价远远高于三相感应电机本身，增加了电动汽车的成本。另外，三相感应电机的调速性也较差。2.3永磁同步电机驱动系统永磁同步电机包括正弦永磁同步电机(PMSM)和矩形波无刷直流电机(BDCM)。永磁无刷直流电动机的定子绕组，采用三相星形绕组。转子上装置永磁材料，转子各相的磁路均匀分布，形成“磁性”转子。不用电刷和换向器为转子输入励磁电流。永磁无刷直流电动机在工作时，将调制后的具有的方波电流，输入永磁无刷直流电动机的定子中，控制永磁无刷直流电动机运转。采用脉冲方波电流可以使永磁无刷直流电动机获得较大的转矩，驱动效率也最高。永磁无刷直流电动机具有很高的功率密度和宽广的调速范围，它的输出功率要比同样尺寸的永磁磁阻同步电动机的输出功率大15%。但永磁无刷直流电动机的控制系统较为复杂。永磁无刷直流电动机是一种高性能的电动机。它的最大特点就是具有直流电动机的外特性而没有刷组成的机械接触结构。加之，它采用永磁体转子，没有励磁损耗：发热的电枢绕组又装在外面的定子上，散热容易，因此，永磁无刷直流电动机没有换向火花，没有无线电干扰，寿命长，运行可靠，维修简便。此外，它的转速不受机械换向的限制，如果采用空气轴承或磁悬浮轴承，可以在每分钟高达几十万转运行。在高速运行时比异步电机复杂，需要检测转子磁极位置，另外永磁体还有退磁问题，造价也较高。主要研究重点是位置检测、换向和控制，可以表现为以下几方面：换向逻辑的分析和确定、脉动转矩的削弱、无位置传感系统、新型控制策略。控制策略的研究包括变结构控制、模糊控制与PID控制相结合的控制，以及各种全局优化的方法与模糊控制方法的结合。永磁无刷直流电动机系统具有较高的能量密度和运行效率，在电动汽车中有着很好的应用前景。2.4开关磁阻(SR)电机驱动系统开关磁阻电机定、转子均由普通硅钢片叠压而成的双凸极结构，转子中没有绕组，定子中装有简单的集中绕组，一般径向相对的两个绕组串联成一相。由于定子和转子极是凸极结构，所以每相绕组的电感L随转子位置的变化而变化，开关磁阻电机的工作原理遵循磁阻最小的原则，根据转子位置传感器的反馈信号，相绕组顺序导通，转子为减小磁路的磁阻而旋转。开关磁阻电机控制方式类似步进电机控制，可以认为是大步距角、利用磁阻效应控制的功率型驱动电机系统。开关磁阻电机结构和控制简单、出力大，可靠性高，成本低，起动制动性能好，运行效率高，但电机噪声高，但转矩脉动严重，非线性严重，在电动汽车驱动中有利有弊，目前电动汽车应用较少。3、几种电机驱动系统分析比较直流电机（DCM）的机械特性好，有刷，体积重量大，控制简单,5分钟峰值比功率为0.3kw/kg左右，电枢在转子上，风冷，难于密封；感应电机（InductionMotor）坚实可靠，5分钟峰值比功率国内水平为0.7kw/kg左右；永磁同步电机（包括正弦永磁同步电机和方波无刷直流电机）效率高体，功率密度较大,5分钟峰值比功率为1.25kw/kg左右；开关磁阻电机（SRM）力矩动态响应快，5分钟比功率为0.5kw/kg左右，但振动大、噪声大。4、结论通过分析和比较后认为永磁无刷直流电动机和开关磁阻电动机综合性能超过其它电动机，有可能是当前电动汽车的最佳选择。几种电机都有其优缺点，一种良好的电机设计还需要与合理的控制策略相配合才能使电机发挥出其优良的性能。