搜索
DajunConfidential,Pleasedonotdistributewithoutwrittenpermit电动汽车用电机及其控制系统的原理、应用与发展趋势徐性怡博士上海大郡动力控制技术有限公司2013年10月DajunConfidential,Pleasedonotdistributewithoutwrittenpermit内容提要1.电动汽车发展前景、电机应用举例以及对电机及其控制器的特殊要求2.电机驱动系统的基础技术介绍•电机•电力电子控制器•控制软件3.电机驱动系统设计要点与技术发展趋势DajunConfidential,Pleasedonotdistributewithoutwrittenpermit中国电动汽车的发展前景•历史性机遇–汽车动力电气化已成为汽车技术发展的趋势–“节能减排”的国策鼓励电动汽车及混合动力汽车的大发展•电动汽车发展所面临的挑战–电动汽车技术仍有待于完善，尤其是关键零部件如电池和电机制约了电动汽车的发展进程；–电动汽车市场受到产品可靠性、成本等因素的制约，需要一段成长周期•市场将在未来3-5年逐步上量DajunConfidential,Pleasedonotdistributewithoutwrittenpermit纯电动/混合动力系统实现方案BatteryTrans.ISGIPUMildHEVBatteryTrans.TractionMotorISGIPUSeriesHEV/RangeExtendedEV（Plug-in）BatteryTrans.TractionMotorISGIPUParallelHEV（Plug-in）BatteryTrans.GearBoxTractionMotorIPUEVSystemDajunConfidential,Pleasedonotdistributewithoutwrittenpermit技术路线：纯电动还是混合动力？5混合动力:•可实现节能减排的目的•已被验证可大规模应用的技术•不需要充电设施•对中国整车制造商而言实现难度大–结构复杂–缺乏传统动力系统的核心技术纯电动:•以电代油–减少对进口石油的依赖–减少用户的运营成本•结构简单易于实现•可推动电池的发展•一次充电形式里程有限–限制车辆的适用范围•依赖于电池技术突破•需要充电设施•不适用于大车增程式电动汽车:•综合纯电动和混合动力的优点•可实现短途用电、长途用油•降低了对电池技术的依赖程度•符合中国汽车行业技术发展水平•有利于尽早进入示范运行，逐步改善•与未来纯电动、燃料电池技术无缝连接DajunConfidential,Pleasedonotdistributewithoutwrittenpermit电动汽车/混合动力用电机系统举例牵引电机60~150kW曲轴集成启动发电机(CISG)~15kW皮带驱动启动发电机(BISG)3~6kW电动空调~6kW电动油泵~80W冷却水泵~40W电池冷却风扇~40WHEV发电机40~100kWDajunConfidential,Pleasedonotdistributewithoutwrittenpermit电动汽车应用对电机系统的要求•结构紧凑、尺寸小•重量轻•可靠性高、失效模式可控•效率高•成本低•低噪声、低震动•恒功率调速范围宽峰值力矩恒力矩区恒功率区峰值功率转速力矩坡上起动加速性能高速超车DajunConfidential,Pleasedonotdistributewithoutwrittenpermit汽车电机与普通工业电机之比较较高（1–1.5kW/kg）较低（0.2kW/kg）功率密度极高：既要性能好，又要价格便宜一般总体性价比很高以保障乘车者安全较高以保证生产效率可靠性要求需要精确的力矩控制，动态性能较好多为变频调速控制，动态性能较差控制性能通常为水冷（体积小）通常为风冷（体积大）冷却方式温度变化大（-40~+105oC);震动剧烈;环境温度适中（-20~+40oC);静止应用，震动较小工作环境布置空间有限，必须根据具体产品进行特殊设计空间不受限制，可用标准封装配套各种应用封装尺寸汽车应用工业应用项目DajunConfidential,Pleasedonotdistributewithoutwrittenpermit内容提要1.电动汽车发展前景、电机应用举例以及对电机及其控制器的特殊要求2.电机驱动系统的基础技术介绍•电机•电力电子控制器•控制软件3.电机驱动系统设计要点与技术发展趋势DajunConfidential,Pleasedonotdistributewithoutwrittenpermit电动汽车电机控制系统核心技术电机技术电力电子技术数字控制技术传感器技术电机传感器电力电子逆变器数字控制器电源机械/液压负载-VinVinVo电动汽车用电机驱动系统典型结构与技术领域DajunConfidential,Pleasedonotdistributewithoutwrittenpermit电机的选择：常用交流无刷电机类型AxByzCNS感应电机开关磁阻电机永磁电机永磁电机是电动汽车尤其是乘用车的主流技术•尺寸小•效率高DajunConfidential,Pleasedonotdistributewithoutwrittenpermit感应电机工作原理•空间对称分布的三相定子绕组中通入时间对称的三相交流电流，在气隙中产生旋转磁场，其转速等于交流电流的频率除以电机的极对数。•旋转磁场扫过转子上的短路绕组（一般为鼠笼结构），产生转子中的感应电流。•转子感应电流与定子旋转磁场相互作用产生力矩•滑差频率=定子旋转磁场的转速-转子转速•感应电机的输出扭矩与滑差频率成正比•效率和密度不如永磁电机•低速区扭矩控制不易-1.5-1-0.500.511.501234567xaxbxcAaBbcλDajunConfidential,Pleasedonotdistributewithoutwrittenpermit开关磁阻电机工作原理•一相定子绕组（A相）通直流电建立磁场•转子的磁极趋于与磁场对齐–磁阻扭矩•当转子磁极与磁场快要对齐的时候，换作下一相绕组（B相）通电，拉动下一组转子磁极对齐•每次只有一相工作，可以缺相运行（容错）•换相导致扭矩波动–振动噪声•径向力产生振动噪声•效率与密度不如永磁电机aABbcCAaBCcbDajunConfidential,Pleasedonotdistributewithoutwrittenpermit永磁电机工作原理AxByzCNS-1.5-1-0.500.511.501234567xaxbxcλsλr•空间对称分布的三相定子绕组中通入时间对称的三相交流电流，在气隙中产生旋转磁场，其转速等于交流电流的频率除以电机的极对数。•旋转磁场吸引转子上的永磁体产生力矩DajunConfidential,Pleasedonotdistributewithoutwrittenpermit表贴式永磁同步电机的特点rpmsrTsrTsrIKIKTλγλλλ==×=)sin(rrrersKVλω≈V1V2优缺点：•力矩密度高•效率较高•弱磁困难•要求较大容量的逆变器（超载系数=V1/V2）•系统成本较高理想电机输出力矩要求永磁同步电机输出特性曲线电机端电压理想电机的端电压特性DajunConfidential,Pleasedonotdistributewithoutwrittenpermit磁阻同步电机工作原理及特性AxByzCλsqdTKLLIIdqdq=−())(qqddrILILKV+≈ωrpm优缺点：•弱磁容易•效率较高•力矩密度不易做大•由于饱和非线性，控制复杂DajunConfidential,Pleasedonotdistributewithoutwrittenpermit永磁-磁阻同步电机PM-ReluctanceSynchronous(PMRS)MotorNS+=DajunConfidential,Pleasedonotdistributewithoutwrittenpermit永磁-磁阻同步电机的特性[]PMqqddrqdqdqPMKILILKVIILLKIKTλωλ4321)()(++≈−+=rpm永磁-磁阻同步电机的特点：•弱磁容易，调速范围宽•效率较高•力矩密度较高•结构复杂，优化设计较难•由于饱和非线性，控制复杂DajunConfidential,Pleasedonotdistributewithoutwrittenpermit表贴式永磁电机与永磁磁阻电机之比较-+力矩密度+-失效模式+-恒功率调速区++效率+-永磁体的特殊形状要求+-永磁体的涡流损失00整体充磁能力+-永磁体固定方式永磁-磁阻表贴式表贴式永磁电机不适用于电动汽车应用DajunConfidential,Pleasedonotdistributewithoutwrittenpermit永磁磁阻同步电机的设计难点•密度高、效率高、体积小•可制造、一致性好•可靠性高、防止退磁•震动噪声小DajunConfidential,Pleasedonotdistributewithoutwrittenpermit高性能、高可靠性永磁材料永磁材料的失磁机理–高温–振动–去磁电流防止去磁的方法–防止过温–开发高性能材料–防止过大的去磁电流开发高性能的磁钢–磁钢耐温特性：220℃时的磁通不可逆损失小于3%，–新开发的环氧涂层具有高耐温、高耐腐蚀性及高绝缘性永磁材料可靠性、耐久性评估方法–针对电动汽车实际应用工况设立永磁体退磁载荷试验循环；–建设集成高低温、机械振动、脉动电流等综合功能测试平台；–利用测试平台模拟退磁载荷试验循环，研究上述因素对永磁体退磁的综合影响。DajunConfidential,Pleasedonotdistributewithoutwrittenpermit拼块结构永磁体磁场方向叠层方向抗涡流和退磁设计的永磁体分层结构与叠层结构电机系统设计仿真验证与测试验证能力建设抗涡流和退磁的永磁体拼块、叠层、分层结构技术抗涡流和退磁的永磁体拼块、叠层、分层结构技术DajunConfidential,Pleasedonotdistributewithoutwrittenpermit电机震动与噪声挑战•电机的震动与噪声直接影响整车的NVH•电机力矩的波动引起电机转向波动，并导致齿轮噪声•电机的径向力引起转子、定子变形、震动以及噪声•电机的输出能力、成本与震动噪声多呈负相关，需要取舍•通过控制器的开关频率的改变可以有效改变噪声•震动噪声不仅仅与电机相关，而且与整车结构及安装方式相关DajunConfidential,Pleasedonotdistributewithoutwrittenpermit¾能量密度高，封装尺寸小巧，用材料省；¾效率高，节电¾调速范围宽，对逆变器功率要求低组合优势成本优势应用优势¾中国拥有丰富的稀土永磁矿藏和较低的制造成本¾适合于电动汽车以及工业控制应用永磁磁阻同步电机(PMRS)代表电机领域的发展方向+NS峰值力矩恒力矩区恒功率区峰值功率坡上起动加速性能转速DajunConfidential,Pleasedonotdistributewithoutwrittenpermit电力电子逆变器的工作原理V2dcABC0npSA+SA-SB+SB-SC+SC-V2dcsV1(1,0,0)V2(1,1,0)V3(0,1,0)V4(0,1,1)V5(0,0,1)V6(1,0,1)YXDajunConfidential,Pleasedonotdistributewithoutwrittenpermit空间矢量脉宽调制法（SVPWM）-1.501.500.002t0/2t1t2t0/2TpwmVs*V1V2V3V4V5V6XYDajunConfidential,Pleasedonotdistributewithoutwrittenpermit电力电子控制器硬件构成功率回路-ViVoVi电机控制器电路•接受整车控制器的指令并反馈信息•检测