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新能源汽車電機驅動系統關鍵技術解析

時間:2018-07-23  來源:中國工程機械網   瀏覽次數:707

  近年隨著我國交通事業的飛速發展,交通領域成為我國能耗增長最快的領域。能源危機和環境污染的加劇,使電動汽車研發成為世界汽車工業可持續發展的戰略性項目,世界各國也普遍將發展電動汽車確立為保障能源安全和轉型低碳經濟的重要途徑。

  1881年,第一輛電動汽車由法國工程師古斯塔夫.士維(GustaveTrouve)制造問世,它是采用鉛酸蓄電池供電,由0.1 hp(英制馬力,1 hp=745.7 W)的直流電機驅動的三輪電動汽車,整車及其駕駛員的重量約160 kg。兩位英國教授在1883年制成了相似的電動汽車。因當時該應用技術尚未成熟到足以與馬車競爭,因此這些早期構造并沒有引起公眾很多的注意。

  20世紀40年代之后,半導體技術快速發展,隨后出現的晶閘管、三極管,尤其是在20世紀80年代問世的絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)為電機調速與控制提供了便利,同時伴以電力電子技術的快速發展,為以電能為能源的電機取代以石油為能源的內燃機提供了技術基礎。

  一、電動汽車分類

  根據國標GB/T 19596-2004電動汽車術語,電動汽車可分為由動動力電池提供能源的純電動汽車、電機和內燃機共存的混合動力汽車和以燃料電池為能源的燃料電池電動汽車,這三類電動汽車均采用一個及以上的電機驅動系統將電能轉換為機械能,進而驅動汽車,同時回收剎車的制動能量,從而實現了能量利用率的提升。

  1.純電動汽車

  純電動汽車由電機驅動汽車,能量完全由二次電池(如鉛酸電池、鎳鎬電池、鎳氫電池或鋰離子電池)提供。由于一次石化能源的日趨匱乏,純電動汽車被認為是汽車工業的未來。典型的純電動汽車動力結構如圖1所示。電池組的電能通過充電系統在車輛行駛一定里程后進行補充。純電動汽車的特點是車輛

  實現零排放,不依賴汽油,完全采用電能驅動車輛,但是由于蓄電池的能量密度和功率密度比汽油或柴油低很多,因此純電動汽車的連續行駛里程有限。

  2.混合動力汽車

  混合動力汽車按動力總成結構及能量流傳遞方案不同,可分為串聯、并聯及混聯三種混合動力方式。串聯混合動力車輛中,發動機動力與電動機動力通過電氣系統傳遞;并聯和混聯混合動力車輛中,發動機動力與電動機動力通過一個專門的機電耦合機構實現向車輪的傳遞,常用的機電耦合機構包括行星齒輪耦合、變速器耦合及離合器耦合等。

  串聯式混合動力系統的動力總成,發動機的機械能通過發電機轉化為電能,電動機將電能轉換為機械能傳到驅動橋,驅動橋和發動機之間沒有直接的機械連接。該方案的優點是系統控制簡單,缺點是難以應對復雜路況,電池充放電壓力較大,電池壽命要求較高。

  典型的并聯式混合動力系統,電機與發動機通過齒輪減速機構實現動力耦合。并聯混合動力具有三種驅動模式:發動機單獨驅動,電動機單獨驅動,發動機和電動機混合驅動。并聯式混合動力總成具有如下優點:

  (1)發動機和電動機兩個動力總成,兩者的功率分別可以等于50%~100%車輛驅動功率,比串聯混合動力汽車的三個動力總成的功率、質量和體積小。

  (2)發動機可直接驅動車輛,能量轉換綜合效率比串聯混合動力汽車高。車輛需要最大輸出功率時,電動機可以給發動機提供額外的輔助動力,因此可配置小功率發動機,燃油經濟性比串聯式混合動力汽車好。

  (3)與電動機配套的動力電池組容量較小,整車質量減輕。

  但是,并聯混合動力汽車需要裝配變速器、離合器、傳動軸和驅動橋等結構,還需裝配電動機、動力電池組和動力組合器等裝置,因此動力系統結構復雜,結構布置和整車控制更困難。

  著名的混合動力汽車Pruis采用混連式混合動力總成,耦合器采用行星齒輪結構,發動機與行星齒輪的行星架相連,發電機連接太陽輪,電動機連接齒圈。通過控制離合器、兩個電機及制動器工作狀態,可以實現多種工作模式。混聯式混合動力系統與串聯式混合動力系統相比,增加了機械動力的傳遞路線,與并聯式混合動力系統相比,增加了電能的傳輸路線。混連式混合動力系統具有如下優點:

  (1)三個動力總成比串聯式混合動力三個動力總成的功率、質量和體積小。

  (2)電動機可獨立驅動車輛行駛。利用電動機低速大轉矩特性,帶動車輛起步,在城市中實現“零污染”行駛。車輛需最大輸出功率時,電動機可為發動機提供輔助動力,因此發動機功率小,燃油經濟性好。

  但是混連式混合動力系統需要配備兩套驅動系統;發動機傳動系統需要裝配離合器、變速器、傳動軸和驅動橋等傳動總成;另外,還有電動機、減速器、動力電池組,以及多種能源動力(發動機動力與電動機動力)組合或協調專用裝置。

  3.燃料電池電動汽車燃料電池是一種通過電化學反應的方式將燃料和氧化劑的化學能轉化為電能的裝置,具有高能量轉換效率和“零排放”特點,成為電動汽車的候選電源。燃料電池電動汽車具有系統機構簡單,便于系統布置,有利于整車輕量化的優點。但是由于燃料電池壽命短,系統功率密度低、裝置可靠性難以保證等問題,導致燃料電池電動汽車近年來發展緩慢。

  車用電機驅動系統

  車用電機驅動系統是電動汽車的關鍵技術和共性技術。因為受到車輛空間限制和使用環境的約束,車用電機驅動系統不同于普通的電傳動系統,它要求具有更高的運行性能、比功率,以及適應更嚴酷的工作環境等。為了滿足這些要求,車用電機驅動系統的技術發展趨勢基本上可以歸納為電機永磁化、控制數字化和系統集成化,電機及其驅動系統的結構.

  1.高功率密度車用電機控制器

  電動汽車中主驅動電機控制器一般采用典型的三相橋式電壓源逆變電路。其主要部件包括:功率模塊、直流側支撐電容和疊層母線排。根據車輛對控制器的功率等級需求,功率模塊大多采用絕緣柵雙極型晶體管(Insulated Gate Bipola Transistor,IGBT),直流側支撐電容是控制器中最重要的無源器件,主要作用是吸收功率模塊開關造成的直流側脈動電流,穩定直流側輸出電壓電流,從而提高蓄電池使用壽命,其體積和重量對控制器的功率密度有很大影響。因此,IGBT功率模塊和直流側支撐電容是提高控制器性能和成本控制的關鍵。

  為了提高IGBT功率模塊的運行性能和可靠性,并降低成本,中國科學院電工研究所聯合國內功率模塊封裝企業進行具備自主知識產權的國產智能IGBT功率模塊研發。在IGBT設計方面進行了大量分析優化和工藝設計工作。

  中國科學院電工研究所應用智能IGBT功率模塊和金屬膜電容技術所研制的60 kW高功率密度電機控制器的重量比功率為4 kW/kg,體積比功率為6 kW/L。并且成功應用于力帆LF620純電動警務車,服務于2010年上海世博會。

  2.高功率密度車用電機

  目前,電動汽車用電動機主要有異步電機、永磁電機和開關磁阻電機。電動車輛的驅動電機屬于特種電機,是電動汽車的關鍵部件。要使電動汽車有良好的使用性能,驅動電機應具有較寬的調速范圍及較高的轉速,足夠大的啟動扭矩,體積小、質量輕、效率高且有動態制動強和能量回饋的性能。目前電動汽車所采用的電動機中,直流電動機基本上已被異步電動機、永磁同步電機或開關磁阻電機所取代。

  由于永磁同步電機具有結構緊湊、效率高、功率密度高的優勢,近年來廣泛用于電動汽車應用。為了進一步滿足車輛應用的特殊需求,混合勵磁電機、盤式電機等新型特種電機也應用于車用領域。電動汽車所用的電機正在向大功率、高轉速、高效率和小型化方向發展。

  (1)永磁同步電機

  電機是以磁場為媒介進行電能和機械能相互轉換的電磁裝置,在電動汽車中起到了將電池中的電能裝換為驅動車輛的機械能,或將汽車需制動時多余的機械能轉換為電能存儲在電池中。為了在電機內建立進行電能轉換所必需的氣隙磁場,可以采用電機內繞組通以電流來產磁場,另一種是由永磁體產生磁場。由于稀土鈷永磁體和釹鐵硼永磁體都是高剩磁、高矯頑力、高磁能積永磁體,用于制造永磁電機可以獲得較強的氣隙磁場,減小了電機體積,質量輕,損耗小,效率高,電機的形狀和尺寸靈活多樣,適合于車用電機高功率密度的需求。

  永磁同步電機在運行過程中定子繞組通以三相對稱電流,在電機氣隙中建立與電機轉子同步旋轉磁場,通過控制算法調節電流的相位與頻率,實現電機在全轉速范圍內的穩定運行。

  (2)混合勵磁電機

  永磁電機的永磁磁鏈無法調節的缺點,在恒定供電電壓下帶來了弱磁控制問題:車輛動力性能要求電機系統在高轉速下需要較寬的恒功率調速范圍保證車輛的高速性能。由于受到電池電壓的限制,目前大部分永磁電機系統采用增加定子繞組去磁電流的方法抵消永磁磁場,從而達到恒定供電電壓下弱磁調速的目的。但這種方法降低了系統效率和功率因數,增加了控制器成本,同時還存在深度弱磁控制時穩定性差和高速失控時的電壓安全問題。混合勵磁電機是解決以上問題的可行技術。

  混合勵磁電機在永磁電機與電勵磁電機的基礎上演變而來,通過在永磁電機中引入電勵磁繞組使電機獲得勵磁可控的性能,電機更適合于寬速度范圍、高弱磁比的應用場合,彌補了單一勵磁方式的不足。中國科學院電工研究所以旁路式混合勵磁電機為研究對象,在電機結構、電機參數特性、電機數學模型及勵磁電流規劃等方面進行了深入的研究。旁路式混合勵磁電機最大程度繼承永磁電機高效、高功率密度的優點,電機勵磁主要由永磁磁勢提供,電勵磁磁勢主要用與增強或削弱主磁路磁通,通過調節電勵磁電流的大小實現電勵磁助磁與弱磁功能。

  混合勵磁電機具有助磁和弱磁兩個工況:

  (1)助磁工況:電勵磁助磁工況下的磁路。N極側的電勵磁磁力線從電勵磁端蓋通過軸向氣隙進入電機轉子N極,與永磁體磁力線一同通過主氣隙與電樞繞組交鏈,一部分磁力線通過端蓋閉合,另一部分磁力線通過電機軛部與主氣隙進入轉子S極,通過S極側軸向氣隙進入電勵磁旁路閉合。

  (2)弱磁工況:電勵磁弱磁通過勵磁電流反向實現,反向的電勵磁磁勢與永磁體磁勢建立與助磁工況下電勵磁旁路中相反的磁力線方向,部分永磁體磁力線不經過主氣隙與電樞繞組交鏈,實現電機弱磁運行。

  綜合來看,與傳統無刷永磁電機相比,旁路式混合勵磁電機具有顯著優點:如低速時增大勵磁以提高輸出轉矩;高速運行時減小或反向勵磁從而拓寬電機的恒功率弱磁區;降低電機在高速運行下的鐵損,提高效率;動態調節勵磁電流大小,提高負載變化時發電電壓動態性能;減小電樞反應弱磁磁勢,降低永磁體高溫運行時的失磁風險等。混合勵磁是未來車用永磁電機的一個重要發展趨勢。

  3.車用電機控制技術

  針對電機控制系統強非線性、參數變化,以及汽車對電機系統高速和寬調速范圍的一些需求,中科院電工所重點圍繞高性能電機驅動系統適用于車用工況的安全可靠與高效節能運行控制的技術難點,提出了死區補償技術,解決了純電動汽車低速輕載工況的低速脈動問題;提出了基于單調節器的深度弱磁控制方法和解耦控制技術,解決了電動汽車電機驅動系統高速運動控制和高速發電控制難題。

  隨著純電動汽車的發展,對電機的恒功率弱磁特性要求越來越高,人們希望電機的輸出特性能夠完全覆蓋汽車的驅動特性,從而省去變速機構,節省空間體積和成本。因此,弱磁控制成為車用電機控制的重要研究方向之一。而經中科院電工所研究發現,目前常用的雙電流環弱磁控制中,存在發生不可逆的失控可能,造成嚴重的系統故障和安全隱患。電工所致力于弱磁控制多年,提出了性能可靠、全局受控的弱磁控制策略,經試驗驗證恒功率區可達1 : 6,完全滿足車用需求。

  四、總結

  我國在傳統內燃機車輛方面較國外存在一定差距,但是電動汽車正處在起步階段,我國在電機驅動領域積累了豐富的經驗和扎實的理論,近年來也在電動汽車關鍵技術研發方面投入較大,培育了大批的研發機構和生產企業,雖然目前的發展中存在困難和曲折,但是并沒有改變政府和產業界發展電動汽車的決心。雖然傳統內燃機車輛還占據目前車輛市場的絕對主導,但是發展清潔的電動汽車在能源、環境和技術方面都是大勢所趨。伴隨著相關技術的發展,電動汽車將會迎來進入尋常百姓家的一天。 

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