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电动汽车电机驱动体系 关键技术

大众移动机器人彻底改变了电动汽车的充电方式

应用程序将召唤充电机器人,拖拽25kWh“电池车”,然后插入EV电动汽车并充电。 大众汽车开发了一种可以自动为电动汽车充电的机器人-有效地使任何停车位成为充电点。 移动充电系统由两个单元组成:机器人和能量存储设备。 驾驶员通过智能手机应用程序或通过连

电动货车移动充电设备


泉源 | 收集

作者 | 孔亮

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最近几年跟着我国交通奇迹的飞 速生长,交通范畴成为我国能耗增 长最快的范畴。动力危机和环境污 染的加重,使电动汽车研发成为世 界汽车工业可持续生长的战略性项 目,世界各国也普遍将生长电动汽 车确立为保证动力安全和转型低碳 经济的重要途径。1881 年,第一辆电动汽车由法 国工程师古斯塔夫 . 士维(Gustave Trouve)制作问世,它是采纳铅 酸蓄电池供电,由 0.1 hp(英制马 力,1 hp=745.7 W)的直流电机驱 动的三轮电动汽车,整车及其驾驶 员的分量约 160 kg。两位英国传授 在1883年制成了类似的电动汽车。因当时该运用手艺还没有成熟到足以 与马车合作,因而这些初期组织并 没有引发民众许多的注重。20 世纪 40 年代以后,半导体 手艺疾速生长,随后涌现的晶闸 管、三极管,尤其是在 20 世纪 80 年代问世的绝缘栅双极型晶体管 (IGBT)为电机调速与掌握供应 了方便,同时伴以电力电子手艺的 疾速生长,为以电能为动力的电机 庖代以石油为动力的内燃机供应了 手艺基本。

一、电动汽车分类 

依据国标 GB/T 19596-2004 电 动汽车术语,电动汽车可分为由动 电动汽车电机驱动体系 症结手艺 孔 亮 力电池供应动力的纯电动汽车、电 机和内燃机共存的夹杂动力汽车和 以燃料电池为动力的燃料电池电动 汽车,这三类电动汽车均采纳一个 及以上的电机驱动体系将电能转换 为机器能,进而驱动汽车,同时回 收刹车的制动能量,从而完成了能 量运用率的提拔。

1. 纯电动汽车

纯电动汽车由电机驱动汽车, 能量完整由二次电池(如铅酸电池、 镍镐电池、镍氢电池或锂离子电池) 供应。由于一次石化动力的日益匮 乏,纯电动汽车被认为是汽车工业 的将来。典范的纯电动汽车动力结 构如图 1 所示。电池组的电能经由过程 充电体系在车辆行驶肯定里程落后 行补充。纯电动汽车的特性是车辆 完成零排放,不依赖汽油,完整采 用电能驱动车辆,然则由于蓄电池 的能量密度和功率密度比汽油或柴 油低许多,因而纯电动汽车的一连 行驶里程有限。

图 1 纯电动汽车动力总成构造

2. 夹杂动力汽车 

夹杂动力汽车按动力总成构造及能量流通报计划差别,可分为串连、并联及混联三种夹杂动力体式格局。串连夹杂动力车辆中,发起机动力与电效果动力经由过程电气体系通报;并联和混联夹杂动力车辆中, 发起机动力与电效果动力经由过程一个特地的电机耦合机构完成向车轮的通报,经常运用的电机耦合机构包含行星齿轮耦合、变速器耦合及离合器耦合等。 

串连式夹杂动力体系的动力总成如图 2 所示,发起机的机器能经由过程发电机转化为电能,电效果将电能转换为机器能传到驱动桥,驱动桥和发起机之间没有直接的机器衔接。该计划的长处是体系掌握简朴,瑕玷是难以应对庞杂路况,电池充放电压力较大,电池寿命请求较高。

图 2 串连式夹杂动力总成构造

典范的并联式夹杂动力体系 如图3所示,电机与发起机经由过程齿轮减速机构完成动力耦合。

图 3 并联式夹杂动力总成构造

并联夹杂动力具有三种驱动形式:发起机零丁驱动,电效果零丁驱动,发起机和电效果夹杂驱动。并联式夹杂动力总成具有以下长处: 

(1)发起机和电效果两个动力总成,二者的功率离别可以即是50% ~ 100%车辆驱动功率,比串连夹杂动力汽车的三个动力总成的功率、质量和体积小。

(2)发起机可直接驱动车辆,能量转换综合效力比串连夹杂动力汽车高。车辆须要最大输出功率时,电效果可以给发起机供应分外的辅佐动力,因而可设置小功率发起机,燃油经济性比串连式夹杂动力汽车好。 

世界上第一条为电动公交车和电动卡车充电的无线电动道路诞生

电动道路系统(ERS)支持在行驶中向车辆的电力传输,并具有减少交通运输部门碳排放和提高能源效率以及减少电池需求的巨大潜力。Smartroad Gotland 由瑞典道路管理局提供资金支持,由以色列公司 ElectReon Wireless 的瑞典子公司 ElectReon AB 领导。该项目的

,新能源电动货车,

(3)与电效果配套的动力电池组容量较小,整车质量减轻。然则,并联夹杂动力汽车须要装配变速器、离合器、传动轴和驱动桥等构造,还需装配电效果、动力电池组和动力组合器等装配,因而动力体系构造庞杂,构造安排和整车掌握更困难。

有名的夹杂动力汽车Pruis采纳混连式夹杂动力总成,耦合器采纳行星齿轮构造,发起机与行星齿轮的行星架相连,发电机衔接太阳轮,电效果衔接齿圈。经由过程掌握离合器、两个电机及制动器事情状况,可以完成多种事情形式。


图 4 混连夹杂动力总成构造

混联式夹杂动力体系与串连式夹杂动力体系比拟,增添了机器动力的通报线路,与并联式夹杂动力体系比拟,增添了电能的传输线路。混连式夹杂动 力体系具有以下长处:

(1)三个动力总成比串连式夹杂动力三个动力总成的功率、质量和体积小。 

(2)电效果可自力驱动车辆行驶。运用电效果低速大转矩特征,动员车辆起步,在都市中完成“零污染”行驶。车辆需最大输出功率时,电效果可为发起机供应辅佐动力,因而发起机功率小,燃油经济性好。

然则混连式夹杂动力体系须要装备两套驱动体系;发起机传动体系须要装配离合器、变速器、传动轴和驱动桥等传动总成;别的,另有电效果、减速器、动力电池组,以及多种动力动力(发起机动力与 电效果动力)组合或谐和专用装配。

3. 燃料电池电动汽车 

燃料电池是一种经由过程电化学回响反映的体式格局将燃料和氧化剂的化学能转化为电能的装配,具有高能量转换效力和“零排放”特性,成为电动汽车的候选电源。燃料电池电动汽车具有体系机构简朴,便于体系安排,有利于整车轻量化的长处。然则由于燃料电池寿命短,体系功率密度低、装配牢靠性难以保证等问题,致使燃料电池电动汽车最近几年来生长缓慢。

图 5 燃料电池车动力总成构造

二、车用电机驱动体系
车用电机驱动体系是电动汽车的症结手艺和共性手艺。由于遭到车辆空间限定和运用环境的束缚,车用电机驱动体系差别于平常的电传动体系,它请求具有更高的运转机能、比功率,以及顺应更严格的事情环境等。为了满足这些请求,车用电机驱动系 统的手艺生长趋势基本上可以归结为电机永磁化、掌握数字化和体系集成化,电机及其驱动体系的构造如图 6 所示。

图 6 车用电机驱动体系

1. 高功率密度车用电机掌握器

电动汽车中主驱动电机掌握器平常采纳典范的三相桥式电压源 逆变电路。其重要部件包含:功率 模块、直流侧支持电容和叠层母线排。依据车辆对掌握器的功率品级需求,功率模块大多采纳绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipola Transistor, IGBT),直流侧支持电容是掌握器中最重要的无源器件,重要作用是吸取功率模块开关形成的直流侧脉动电流,稳固直流侧输出电压电流,从而进步蓄电池运用寿命,其体积和分量对掌握器的功率密度有很大影响。因而,IGBT 功率模块和直流侧支持电容是进步掌握器机能和本钱掌握的症结。

2. 高功率密度车用电机

现在,电动汽车用电效果重要有异步电机、永磁电机和开关磁阻电机。电动车辆的驱动电机属于特种电机,是电动汽车的症结部件。要使电动汽车有优越的运用机能,驱动电机应具有较宽的调速局限及较高的转速,足够大的启动扭矩,体积小、质量轻、效力高且有动态制动强和能量回馈的机能。现在电动汽车所采纳的电效果中,直流电效果基本上已被异步电效果、永磁同步电机或开关磁阻电机所庖代。由于永磁同步电机具有构造紧凑、 效力高、功率密度高的上风,最近几年来普遍用于电动汽车运用。为了进一步满足车辆运用的特别需求,夹杂励磁电机、盘式电机等新型特种电机也运用于车用范畴。电动汽车所用的电机正在向大功率、高转速、 高效力和小型化方向生长。
(1)永磁同步电机 
电机是以磁场为序言举行电能和机器能互相转换的电磁装配, 在电动汽车中起到了将电池中的电 能装换为驱动车辆的机器能,或将汽车需制动时过剩的机器能转换为电能存储在电池中。为了在电机内竖立举行电能转换所必须的气隙磁场,可以采纳电机内绕组通以电流来产磁场,另一种是由永磁体发作磁场。由于稀土钴永磁体和钕铁硼永磁体都是高剩磁、高矫顽力、高磁能积永磁体,用于制作永磁电机可以取得较强的气隙磁场,减小了电机体积,质量轻,消耗小,效力高, 电机的外形和尺寸灵活多样,适合于车用电机高功率密度的需求。典范的车用永磁电机构造如图 7 所 示,该电机为丰田普锐斯(Pruis) 所用的驱动电机。

图 7 普锐斯驱动电机

永磁同步电机在运转过程当中定子绕组通以三相对称电流,在电机气隙中竖立与电机转子同步旋转磁场,经由过程掌握算法调治电流的相位与频次,完成电机在全转速局限内的稳固运转。
(2)夹杂励磁电机 
永磁电机的永磁磁链没法调治的瑕玷,在恒定供电电压下带来了弱磁掌握问题:
车辆动力机能请求电机体系在高转速下须要较宽的恒功率调速局限保证车辆的高速机能。
由于遭到电池电压的限定,现在大部份永磁电机体系采纳增添定子绕组去磁电流的要领抵消永磁磁场,从而到达恒定供电电压下弱磁 调速的目标。
但这类要领下降了体系效力和功率因数,增添了掌握器本钱,同时还存在深度弱磁掌握时稳固性差和高速失控时的电压安全问题。
夹杂励磁电机是处理以上问题的可行手艺。
夹杂励磁电机在永磁电机与电励磁电机的基本上演化而来,经由过程在永磁电机中引入电励磁绕组使电机取得励磁可控的机能,电机更适合于宽速率局限、高弱磁比的运用场所,弥补了单一励磁体式格局的不足。
中国科学院电工研讨所以旁路式夹杂励磁电机为研讨对象,在电机构造、电机参数特征、电机数学 模子及励磁电流计划等方面举行了深切的研讨。
旁路式夹杂励磁电机事情道理如图 8 所示,为最大水平继续永磁电机高效、高功率密度的长处,电机励磁重要由永磁磁势供应,电励磁磁势重要用与加强或减弱主磁路磁通,经由过程调治电励磁电流的大小完成电励磁助磁与弱磁功用。

图 8 旁路式夹杂励磁电机事情道理

(带箭头的实线为永磁磁力线,带箭头的虚线为电励磁磁力线)
夹杂励磁电机具有助磁和弱磁两个工况:
(1)助磁工况:
电励磁助磁工况下的磁路如图 8(a)所示。
N极侧的电励磁磁力线从电励磁端盖经由过程轴向气隙进入电机转子 N 极, 与永磁体磁力线一同经由过程主气隙与电枢绕组交链,一部份磁力线经由过程端盖闭合,另一部份磁力线经由过程电机轭部与主气隙进入转子 S 极,通 过 S 极侧轴向气隙进入电励磁旁路闭合。
(2)弱磁工况:
电励磁弱磁经由过程励磁电流反向完成,反向的电励磁磁势与永磁体磁势竖立与助磁工况下电励磁旁路中相反的磁力线方向,部份永磁体磁力线不经由主气隙与电枢绕组交链,完成电机弱磁运转。
综合来看,与传统无刷永磁电机比拟,旁路式夹杂励磁电机具有明显长处:
如低速时增大励磁以进步输出转矩;
高速运转时减小或反向励磁从而拓宽电机的恒功率弱磁区;
下降电机在高速运转下的铁损,进步效力;
动态调治励磁电流大小,进步负载变化时发电电压动态机能;
减小电枢回响反映弱磁磁势, 下降永磁体高温运转时的失磁风险等。
夹杂励磁是将来车用永磁电机的一个重要生长趋势。
3. 车用电机掌握手艺 
针对电机掌握体系强非线性、参数变化,以及汽车对电机体系高速和宽调速局限的一些需求,中科 院电工所重点缭绕高机能电机驱动体系适用于车用工况的安全牢靠与高效节能运转掌握的手艺难点,提出了死区赔偿手艺,处理了纯电动汽车低速轻载工况的低速脉动问题;
提出了基于单调治器的深度弱 磁掌握要领息争耦掌握手艺,处理了电动汽车电机驱动体系高速活动掌握和高速发电掌握困难。
跟着纯电动汽车的生长,对电机的恒功率弱磁特征请求越来越高,人们愿望电机的输出特征可以完整掩盖汽车的驱动特征,从而省去变速机构,节约空间体积和本钱。
因而,弱磁掌握成为车用电机掌握的重要研讨方向之一。
而经中科院电工所研讨发明,现在经常运用的双电流环弱磁掌握中,存在发作不可逆的失控大概,形成严峻的体系故障和安全隐患。
电工所致力于弱磁掌握多年,提出了机能牢靠、全局受 控的弱磁掌握战略,经实验考证恒功率区可达1:6,完整满足车用需求。
三、总结
我国在传统内燃机车辆方面较外洋存在肯定差异,然则电动汽车正处在起步阶段,我国在电机驱动范畴积累了雄厚的履历和踏实的理论,最近几年来也在电动汽车症结手艺研发方面投入较大,培养了多量的研发机构和生产企业,虽然现在的生长中存在困难和迂回,然则并没有转变政府和产业界生长电动汽 车的决计。
虽然传统内燃机车辆还占有现在车辆市场的相对主导,然则生长洁净的电动汽车在动力、环境和手艺方面都是大势所趋。
伴跟着相干手艺的生长,电动汽车将会迎来进入平常百姓家的一天。



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谁将成为新能源汽车市场反弹的救世主?

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