電動汽車電動機系統(tǒng)介紹與故障解析（上）.docVIP

電動汽車電動機系統(tǒng)介紹與故障解析（上） 文廣東郭棟遼寧李洪友 郭棟 本刊編委會委員、“新能源汽車”欄目主專家 深圳市派司德科技有限公司董事長；廣東省電動汽車標(biāo)準(zhǔn)委員會專家；博世汽車服務(wù)公司新能源汽車教學(xué)項目顧問；深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院客座教授。參與國內(nèi)幾款主要電動汽車控制策略的設(shè)計；參加了深圳電動汽車維修專項技能認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)；參與了電動汽車修理廠技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、營運電動汽車維修和保養(yǎng)技術(shù)規(guī)范、營運電動汽車技術(shù)性能檢測標(biāo)準(zhǔn)的制定。為電動汽車生產(chǎn)企業(yè)提供生產(chǎn)工藝設(shè)計咨詢，同時還主持了電動汽車車載診斷系統(tǒng)設(shè)計項目。 動力總成是汽車最基礎(chǔ)的系統(tǒng)，傳統(tǒng)汽車的發(fā)動機按照自身規(guī)律把燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機械能，再通過曲軸連桿把直線運動轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)運動，由離合器控制動力的輸出，通過變速器變速變扭調(diào)節(jié)發(fā)動機的工作效率，改變汽車的行駛方向，通過主減速器減速增扭，通過差速器分流動力。以上這一技術(shù)方案經(jīng)過百年的總結(jié)，我們已經(jīng)很容易理解和掌握，但是對于電驅(qū)動的汽車系統(tǒng)，上述功能的實現(xiàn)方法理解起來就相對困難了，為了便于大家理解，筆者將不同種類電動汽車的系統(tǒng)差異列于表1。 一、電動汽車對電驅(qū)動系統(tǒng)的要求 我們絕對不能把電動汽車中的驅(qū)動系統(tǒng)簡單地理解為電動機一個能夠轉(zhuǎn)動的鐵疙瘩。電動汽車對電驅(qū)動系統(tǒng)的要求諸多，電驅(qū)動系統(tǒng)的尺寸對整車布局影響很大，驅(qū)動系統(tǒng)要做得很小，驅(qū)動電動機也可以安裝在輪轂內(nèi)，這樣汽車的承載空間會更大，地板的高度可以大大下降。 電驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計的任務(wù)是：高效率，這樣在同等的電池容量下汽車可以跑得更遠(yuǎn)；壽命長，壽命要達(dá)到15年；少維護(hù)，最好是免維護(hù)的；滿足法規(guī)要求的最大加速、最高車速和最大爬坡度；尺寸緊湊、質(zhì)量輕；工作可靠，耐高溫、抗振動、防水和防塵；低電磁輻射和良好的電磁兼容性；低噪聲。 二、混合動力汽車電驅(qū)動系統(tǒng)的不同技術(shù)路線 1分類 按照發(fā)動機、電動機和變速器的配合關(guān)系，混動動力汽車的驅(qū)動系統(tǒng)分為三類，分別是串聯(lián)系統(tǒng)（圖1）、并聯(lián)系統(tǒng)（圖2）和混聯(lián)系統(tǒng)（圖3）。 串聯(lián)、并聯(lián)和混聯(lián)系統(tǒng)中，燃料貢獻(xiàn)能量與電能貢獻(xiàn)能量的分布如圖4所示。表2中列出了不同混合動力技術(shù)的路線特點。 2.典型混合動力汽車技術(shù)路線 (1)IMA系統(tǒng) IMA(integratedmotorassist)系統(tǒng)是由本田汽車公司研發(fā)的，本田的工程人員將電動機和發(fā)電動機與汽油發(fā)動機鏈接在一起，并且置于變速器前部。電動機起到輔助發(fā)電動機驅(qū)動車輛的作用，這樣可以使得車輛搭載體積更小、排量更低的發(fā)動機卻能獲得足夠的驅(qū)動力。以思域混合動力車型為例，普通車型最小排量為1.8升，混合動力車型排量則僅為1.3升。由于與發(fā)動機進(jìn)行直接連接，因此電動機無法在發(fā)動機關(guān)閉狀態(tài)下進(jìn)行工作。 第一代IMA混合動力系統(tǒng)的電動機功率太低，所以車輛無法依靠純電力模式行駛。目前，性能提升后的電動機可在車輛關(guān)閉發(fā)動機，且處于巡航狀態(tài)下獨立驅(qū)動車輛以保持車速。當(dāng)車輛制動時，與發(fā)動機連接的發(fā)電動機就會將車輛減速時的動能進(jìn)行回收并用于發(fā)電。同時，發(fā)電機還承擔(dān)著發(fā)動機啟動電動機的作用。當(dāng)?shù)燃t燈時，發(fā)動機會自動關(guān)閉，此時再次啟動就需要發(fā)電機的輔助。當(dāng)然，為保證車輛的可靠性，還有一套常規(guī)的啟動電動機作為備份。IMA系統(tǒng)是目前原理最簡單，同時維修保養(yǎng)成本最低的混合動力解決方案。 (2)HSD系統(tǒng) 豐田汽車推出了HSD(HybridSynergyDrive)系統(tǒng)，這套系統(tǒng)也是由兩臺電動機和一臺發(fā)動機組成，不過在安放位置上與本田的IMA系統(tǒng)存在差別。其中一臺電動機與發(fā)動機直接相連，另外一臺電動機則沒有直接連接發(fā)動機。豐田這套系統(tǒng)最為關(guān)鍵的設(shè)計就是復(fù)合式行星齒輪變速器。發(fā)動機和與其相連的電動機組合在一起形成一套驅(qū)動單元，另外一臺電動機形成第二個驅(qū)動單元。這兩套單元可由車載電腦靈活調(diào)配，通過變速器對驅(qū)動輪傳遞動力。 加速時，第一套動力單元通過變速器向車輪傳遞動力；在純電動模式下，第二套動力單元取代發(fā)動機，單獨為車輪提供動力，此時發(fā)動機和與其相連的電動機均處于關(guān)閉狀態(tài)，車輛減速時，HSD混合動力系統(tǒng)的電動機也會與IMA系統(tǒng)一樣，轉(zhuǎn)變?yōu)橄螂姵亟M充電的發(fā)電機。兩套系統(tǒng)的不同點在電池組滿電情況下才會體現(xiàn)出來。當(dāng)電池組充滿電后，發(fā)動機所產(chǎn)生的電能將會輸往與發(fā)動機相連的電動機，電動機通過對發(fā)動機轉(zhuǎn)速的干預(yù)來達(dá)到輔助車輛減速的目的。所以，當(dāng)你駕駛一輛豐田品牌的混合動力汽車實施制動時，電動機提供的電制動力已經(jīng)基本夠用。只有在停車或遇上緊急情況時，車輛原本的液壓制動系統(tǒng)才能派上用場。這套系統(tǒng)的誕生為由車載電腦控制的線控制動及加速系統(tǒng)提供了前提條件。 (3)dual-mode或2-modeHybrid 第三種系統(tǒng)通用汽車，美國人采用完全不同的理念來實現(xiàn)混合動力。雖然與兩家日本廠商的研發(fā)理念不同，但通用汽車的這套雙?；旌蟿恿ο到y(tǒng)依舊采用了兩組電動機。當(dāng)處于低擋位時，第一臺電動機會將動力傳遞給第二臺電動機，然后由它們與發(fā)動機一同向車輪傳遞動力；在重載或處于高擋位時，發(fā)動機依舊處于運轉(zhuǎn)狀態(tài)（這與HSD和IMA發(fā)動機可關(guān)閉或減少工作汽缸數(shù)量的做法不同）。 車輛加速時，第一臺電動機并不會向車輪傳遞動力，而第二套電動機還是以發(fā)動機的工作模式為電池組充電；車速進(jìn)一步提升后，第一臺電動機開始將電能傳遞給第二臺電動機，同時第二臺電動機停止向電池組充電，改由同發(fā)動機一起驅(qū)動車輛。 (4)沃爾沃V60plugin系統(tǒng) 以上三種混合動力系統(tǒng)均由汽油發(fā)動機+電動機組成，沃爾沃汽車公司則獨辟蹊徑地在xx年推出了世界上首款柴油混合動力汽車-V60plugin。沃爾沃V60plugin通過小排量柴油發(fā)動機向電動機供電，四臺輪邊電動機則肩負(fù)驅(qū)動車輪的任務(wù)。 這樣設(shè)計的優(yōu)勢在于沒有變速器，也不用設(shè)置半軸，可以大幅減輕車重，簡化車身結(jié)構(gòu)。目前，這款車型還未正式量產(chǎn)。不過一旦其投入市場勢必會迎來一場關(guān)于其屬性的爭論，到底它算是混合動力還是純電動汽車呢？目前將其定位為增程式電動汽車或許比較合適。 3不同種類動力傳遞技術(shù)路線的特點 在維修混合動力汽車和查看維修手冊時，先要搞清楚被維修車輛動力傳遞的技術(shù)路線，這就像在維修傳統(tǒng)汽車前先搞清楚被修理的發(fā)動機是幾個缸、是單點噴射還是多點噴射，雖然非?；A(chǔ)但也非常重要。 為了便于大家理解，筆者將常見的混動力技術(shù)路線歸納總結(jié)，如圖5所示。 從圖5的統(tǒng)計表中可以看出，不同的混合動力技術(shù)方案在國內(nèi)外乘用或商用車中均得到了廣泛應(yīng)用，相對來說P2在歐洲比較流行，行星排結(jié)構(gòu)在日系和美系車輛中占主導(dǎo)地位，P03等組合結(jié)構(gòu)在四驅(qū)車輛中應(yīng)用較為普遍，采用P03的歐藍(lán)德和標(biāo)致3008均已實現(xiàn)量產(chǎn)。電動汽車車型在選擇結(jié)構(gòu)時應(yīng)綜合考慮結(jié)構(gòu)復(fù)雜性、節(jié)油效果和成本增加，例如由通用、克萊斯勒和寶馬聯(lián)合開發(fā)的三行星排雙模系統(tǒng)，盡管節(jié)油效果較好，但由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜且成本較高，近十年間的市場表現(xiàn)不盡如人意。 三、電動機的分類 1無刷直流永磁電動機 (1)結(jié)構(gòu)原理 電池儲存電能，電能以直流電的方式從電池輸出，經(jīng)過電源變換器傳至電動機。直流電動機有有刷直流電動機和無刷直流電動機之分，有刷直流電動機因維護(hù)不方便被無刷直流電動機取代，無刷直流電動機已成為入門級電動汽車所使用的最為普遍的電動機類型。之所以說它是入門級電動機的首選是因為這種電動機自身還存在一些弊端，這些弊端會阻礙它在電動汽車行業(yè)里的持續(xù)應(yīng)用。 在技術(shù)特性上，無刷直流電動機可分為具有直流電動機特性的無刷直流電動機以及具有交流電動機特性的無刷直流電動機。這里我們所討論的范疇僅限于具有直流電動機特性的無刷直流電動機。 根據(jù)電動汽車對電動機的技術(shù)要求，直流電動機能夠滿足電動汽車運行的基本需求，另外，無刷直流電動機也不需要用戶在用車期間去考慮它的維護(hù)問題，圖6所示為六槽無刷永磁電動機結(jié)構(gòu)示意圖。 直流電動機的轉(zhuǎn)速范圍不算寬泛，而且最高轉(zhuǎn)速僅為6000r/min左右，這樣的轉(zhuǎn)速屬性很難滿足電動汽車的工況需求，所以，有些廠商通過為其匹配二級減速器或具備傳動比范圍的CVT變速器來彌補直流電動機在轉(zhuǎn)速方面的欠缺。顯然，這樣的技術(shù)結(jié)構(gòu)在空間布置以及重量控制方面對整車的設(shè)計都有不利的影響。當(dāng)然，也可以只為電動機匹配一個單級減速器，但車輛的動力性能以及最高車速都會受到影響。 (2)與交流永磁電動機的對比 設(shè)計上的區(qū)別 很多初學(xué)者容易將直流永磁電動機和交流永磁電動機混淆，下面加以對比。二者用的材料大體都一樣，主要是設(shè)計上的不同。一般無刷直流電動機設(shè)計的時候，氣隙磁場是方波的（梯形波），而且平頂?shù)牟糠衷狡皆胶?，因此在極對數(shù)選擇上一般選取整數(shù)槽集中繞組，例如4極12槽，并且磁鋼一般是同心的扇形環(huán)，徑向充磁。無刷直流電動機一般裝霍爾位置傳感器來檢測位置和速度，驅(qū)動方式一般是六步方波驅(qū)動，用于位置識別要求不高的場合。而永磁同步電動機是正弦波氣隙，越正弦越好，因此極對數(shù)上選擇分?jǐn)?shù)槽繞組，如4極15槽、10極12槽等。磁鋼一般是面包形，平行充磁，傳感器一般配置增量型編碼器：旋轉(zhuǎn)變壓器、絕對編碼器等。驅(qū)動方式一般采用正弦波驅(qū)動，如FOC算法等，用于伺服場合。 無刷直流電動機的轉(zhuǎn)子磁極采用瓦型磁鋼，經(jīng)過磁路設(shè)計，可以獲得梯形波的氣隙磁密，定子繞組多采用集中整距繞組，因此感應(yīng)反電動勢也是梯形波的。無刷直流電動機的控制需要位置信息反饋，必須有位置傳感器或是采用無位置傳感器估計技術(shù)，構(gòu)成自控式的調(diào)速系統(tǒng)?？刂茣r各相電流也盡量控制成方波，逆變器輸出電壓按照有刷直流電動機PWM（脈寬調(diào)制）的方法進(jìn)行控制即可。本質(zhì)上，無刷直流電動機也是一種永磁同步電動機，調(diào)速屬于變壓變頻調(diào)速范疇。 永磁同步電動機具有定子三相分布繞組和永磁轉(zhuǎn)子，在磁路結(jié)構(gòu)和繞組分布上保證感應(yīng)電動勢波形為正弦，外加的定子電壓和電流也應(yīng)為正弦波，一般靠交流變壓變頻器提供。永磁同步電動機控制系統(tǒng)常采用自控式，也需要位置反饋信息，可以采用矢量控制（磁場定向控制）或直接轉(zhuǎn)矩控制的先進(jìn)控制策略。綜上所述，兩者區(qū)別可以認(rèn)為是方波和正弦波控制導(dǎo)致的設(shè)計理念不同。最后糾正一個概念，“直流變頻”實際上是交流變頻，只不過因為控制對象，通常稱之為“無刷直流電動機”。 筆者的理解中，應(yīng)該說無刷直流電動機和永磁同步電動機的差別真的很難說，有時候取決于應(yīng)用。傳統(tǒng)的說法是他們的反電動勢不同，直流同步電動機接近于方波，永磁同步電動機接近于正弦波。從控制方面來說，無刷直流電動機一般使用6節(jié)拍的方波驅(qū)動，控制方波的相位和導(dǎo)通時間；永磁同步電動機采用磁定向控制。性能上來說，無刷直流電動機的輸出功率密度會大些，因為無刷直流電動機的轉(zhuǎn)矩充分利用了諧波，也正因如此無刷直流電動機的諧波會嚴(yán)重些。 本體區(qū)別 無刷直流電動機的電動機本體：定子繞組為集中繞組，永磁轉(zhuǎn)子形成方波磁場；永磁同步電動機的電動機本體：定子繞組為分布繞組，永磁轉(zhuǎn)子形成正弦磁場。 傳感器的區(qū)別 無刷直流電動機的位置傳感器：低分辨率，60度分辨率，霍爾元件，電磁式、光電式；永磁同步電動機的位置傳感器：高分辨率，1/256，1/1024，旋轉(zhuǎn)變壓器，光碼盤。 控制的不同 無刷直流電動機：120度方波電流，采用PWM控制；永磁同步電動機：正弦波電流，采用SPWM（逆變原理及控制方法）及SVPWM(空間矢量脈寬調(diào)制)控制。無刷直流電動機磁鋼為方波充磁，控制電壓PWM也為方波，電流也為方波，一個電周期有6個空間矢量?？刂坪唵?，成本低，一般的MCU（微控制單元）就可以實現(xiàn)。永磁同步電動機：磁鋼為正弦波充磁，反電動勢也為正弦波，電流也為正弦波。一般采用矢量控制技術(shù)，一個電周期一般最少會有18個矢量（當(dāng)然越多越好），需要高性能的MCU或DSP才能實現(xiàn)。 總結(jié) 上述討論可以概括為以下結(jié)論。 傳感器的不同：無刷直流電動機為位置傳感器，如霍爾等；永磁同步電動機為速度和位置傳感器，如旋轉(zhuǎn)變壓器、光電編碼器等。 反電勢波形不同：無刷直流電動機為近似梯形波（理想狀態(tài)）；永磁同步電動機為正弦波（理想狀態(tài)）。 三相電流波形不同：無刷直流電動機為近似方波或梯形波（理想狀態(tài)）；永磁同步電動機為正弦波（理想狀態(tài)）。 控制系統(tǒng)的區(qū)別：無刷直流電動機通常包括位置控制器、速度控制器和電流（轉(zhuǎn)矩）控制器；永磁同步電動機根據(jù)控制策略的不同會有不同的控制系統(tǒng)。 設(shè)計原理與方法上的區(qū)別：無刷直流電動機盡量拓寬反電勢波形的寬度（使之近似為梯行波）；永磁同步電動機使反電勢接近于正弦波。體現(xiàn)在設(shè)計上主要是定子繞組、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)（如極弧系數(shù)）上的區(qū)別。 2交流異步電動機 一款產(chǎn)品或者一種技術(shù)得到廣泛應(yīng)用的原因一定離不開成本和功能這兩方面的平衡，交流異步電動機在電動汽車領(lǐng)域的普及就能說明這一點。交流異步電動機的擁躉者中除了國內(nèi)大多數(shù)廠商推出的電動汽車產(chǎn)品外，還包括在電動汽車陣營中獨樹一幟的特斯拉ModelS。在技術(shù)方面，交流異步電動機為什么能夠得到普及呢？ 交流異步電動機也可被歸納到交流電動機范疇。變頻調(diào)速是電動機首先要具備的功能，因為，純電動汽車的車輪由電動機和差速器組成的傳動機構(gòu)進(jìn)行驅(qū)動，電動機本身的轉(zhuǎn)速范圍即可滿足車輛的行駛需要。因此，從技術(shù)結(jié)構(gòu)來看，變速器不再是整個動力系統(tǒng)的必要裝置，但是，在變頻調(diào)速的性能方面，還是對電動機提出了較高的要求，另外，倒車也是日常駕駛時經(jīng)常遇到的問題，