2 新能源电动汽车驱动电机的种类
根据驱动电机的工作原理、结构的不同,新能源电动汽车驱动电机的分类如图1所示。
电动汽车在早期采用的是直流电机,随后逐步采用交流感应电机、永磁同步电机和开关磁阻电机。
2.1直流电机
早期的电动汽车用驱动电机大多采用直流电机。直流电机能得到大量的应用,最主要的原因是因为它具有优良的转矩特性、控制原理和控制装置简单、控制成本低、启动和加速转矩大、调速性能好且比较方便等优点,但其致命的缺点是有电刷和机械换向器,限制了电机过载能力、速度、功率体积比、功率质量比和效率的进一步提高,换向时产生噪声,换向器表面会产生电火花和电磁干扰,可靠性降低,需要定期维护,极大地影响了它的应用场合,现在某些电动汽车仍有采用。
与其他通用电机相比,在电动汽车用直流电机设计时,应使电机在耐高温、抗振动、低损耗、抗负载波动、小型轻量化和免维护等方面,给予特殊的考虑。
根据励磁绕组的不同,直流电机可分为他励和自励两种。自励又可分为串励、并励和复励3种。自励多应用于小功率直流电机,而他励则多用于中大功率直流电机,早期的电动汽车用驱动直流电机以他励居多。
直流电机的调速控制主要是通过改变电枢电压,采用PWM斩波器和PI调节器来实现调速控制。不同类型的斩波器适用于不同的模式,单象限型适用于电动模式;二象限型适用于电动或再生制动模式;四象限型适用于通过电子控制的正向电动和反向制动模式。直流电机的电压、转速和转矩特性曲线如图2所示。
直流电机在新能源电动汽车上的应用实例如表1所示。
2.2交流感应电机
交流感应电机又称交流异步电机。随着微电子、电力电子技术和自动化控制技术的快速发展,电动汽车上采用交流感应电机作为驱动电机日益增多,特别是国外对交流异步铸铜转子感应电机作为牵引电机的使用非常重视。与直流电机相比,其结构简单坚固、质量轻、体积小、低成本、效率高、价格低廉。电机的定子输入频率可在较大范围内变化,调速范围宽,是电动汽车用驱动电机的理想选择,尤其是对驱动系统功率需求较大的电动客车。但异步电机低速运行时,也存在着效率低、发热严重、控制系统复杂等有待克服的技术问题。
交流感应电机有鼠笼转子式和绕线转子式。绕线转子式可通过改变外电路参数来改善电机的运行性能,但其成本高、需要维护、耐久性不足,因而它没有鼠笼转子式应用那么广泛,特别是在纯电动汽车和混合动力汽车上。
电动汽车上使用的交流感应电机的额定电压一般为380V,电动轿车(包括其他类型的乘用车)功率为20~80 kW,电动大客车(包括货车)功率为100~150 kW。
电动汽车采用交流感应电机时,应合理选定电机的容量,尽可能地避免出现“大马拉小车”的现象,尽量缩短电机空载运行的时间,需根据有关动力性能参数正确予以选择。
目前,国内外高性能的电动汽车交流感应电机控制,主要是矢量控制和直接转矩控制两种控制方法。矢量控制方法已较成熟,应用普遍,直接转矩控制方法则有待于进一步提高完善。矢量控制系统的三相交流感应电机的机械特性如图3所示。
交流异步电机在新能源电动汽车上的应用实例如表2所示。