電動(dòng)汽車電機(jī)的國(guó)內(nèi)外技現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

1、電動(dòng)汽車電機(jī)的國(guó)內(nèi)外技現(xiàn)狀與發(fā)電動(dòng)汽車電機(jī)的國(guó)內(nèi)外技現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)展趨勢(shì)電動(dòng)汽車電機(jī)的國(guó)內(nèi)外技現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)電動(dòng)汽車的發(fā)展趨勢(shì)國(guó)內(nèi)電動(dòng)汽車用電機(jī)的種類及各自特點(diǎn)未來(lái)電動(dòng)汽車用電機(jī)發(fā)展趨勢(shì)結(jié)束語(yǔ)目錄目錄12341 1、電動(dòng)汽車的發(fā)展趨勢(shì)、電動(dòng)汽車的發(fā)展趨勢(shì) 石油能源是不可再生能源和污染性能源，隨著我國(guó)汽車保有量的逐年攀升，汽車尾氣污染日益成為大氣主要污染源之一。為了實(shí)現(xiàn)資源的高效利用，節(jié)省能源，降低污染物排放，以電力發(fā)電來(lái)替代燃油發(fā)電的電動(dòng)汽車逐漸成為了新寵。 近年來(lái)，政府在政策等各個(gè)方面給予電動(dòng)汽車許多優(yōu)惠條件，旨在鼓勵(lì)、發(fā)展和使用電動(dòng)汽車。作為電動(dòng)汽車的核心組成部件，不論是純電動(dòng)汽車（EV）

2、、混合電動(dòng)汽車（HEV）還是燃料電池汽車（FCEV），電機(jī)控制系統(tǒng)都是其核心的關(guān)鍵性組成部件，是電動(dòng)汽車整車功能的集成和優(yōu)化的最為核心的單元部件，電控系統(tǒng)的安全可靠性如何會(huì)直接影響到整個(gè)電動(dòng)汽車運(yùn)行的穩(wěn)定和安全，可以說(shuō)，電動(dòng)汽車中的電機(jī)控制系統(tǒng)是整個(gè)汽車產(chǎn)業(yè)信息化轉(zhuǎn)型的重要方面內(nèi)容。2 2、國(guó)內(nèi)電動(dòng)汽車用電機(jī)的種類及各自特點(diǎn)、國(guó)內(nèi)電動(dòng)汽車用電機(jī)的種類及各自特點(diǎn)2.1、直流電動(dòng)機(jī)（DC）2.2、異步電動(dòng)機(jī)（IM）2.3、永磁電動(dòng)機(jī)（BDCM 和PMSN）2.4、開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)（SRM）各種電動(dòng)機(jī)的性能比較各種電動(dòng)機(jī)的性能比較2.12.1、直流電動(dòng)機(jī)（、直流電動(dòng)機(jī)（DCDC）直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單

3、，是電動(dòng)汽車中較早使用的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。2.1.12.1.1直流電機(jī)原理直流電機(jī)原理 直流電動(dòng)機(jī)就是將直流電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的電動(dòng)機(jī)，是電動(dòng)機(jī)的主要類型之一。電動(dòng)機(jī)的定子繞組多做成三相對(duì)稱星形接法，同三相異步電動(dòng)機(jī)十分相似。電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子上粘有已充磁的永磁體 ，為了檢測(cè)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的極性，在電動(dòng)機(jī)內(nèi)裝有位置傳感器。驅(qū)動(dòng)器由功率電子器件和集成電路等構(gòu)成，其功能是：接受電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、停止、制動(dòng)信號(hào)，以控制電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、停止和制動(dòng)；接受位置傳感器信號(hào)和正反轉(zhuǎn)信號(hào)，用來(lái)控制逆變橋各功率管的通斷，產(chǎn)生連續(xù)轉(zhuǎn)矩；接受速度指令和速度反饋信號(hào)，用來(lái)控制和調(diào)整轉(zhuǎn)速；提供保護(hù)和顯示等等。 直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)特性直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)特性

4、2.1.22.1.2直流電機(jī)的特點(diǎn)及優(yōu)缺點(diǎn)直流電機(jī)的特點(diǎn)及優(yōu)缺點(diǎn)1）調(diào)速性能好。直流電動(dòng)機(jī)可以在重負(fù)載條件下，實(shí)現(xiàn)均勻、平滑的無(wú)極調(diào)速，而調(diào)速范圍較寬。2）啟動(dòng)動(dòng)力矩大。3）控制比較簡(jiǎn)單。4）有易損件。 直流電機(jī)控制簡(jiǎn)單，控制技術(shù)成熟，一般通過(guò)電樞控制和弱磁控制來(lái)控制轉(zhuǎn)速，為滿足電動(dòng)汽車運(yùn)行要求，通常在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)采用電樞控制以得到較大的平穩(wěn)轉(zhuǎn)矩，在恒功率區(qū)采用弱磁控制以得到較高轉(zhuǎn)速。但直流電機(jī)利用電刷實(shí)現(xiàn)機(jī)械換向，電刷磨損很快， 需要經(jīng)常維護(hù)，換向火花的存在限制了電機(jī)的高速運(yùn)行，且電機(jī)體積大，制造成本高。所以新研制的輪轂電機(jī)大都不采用直流電機(jī)。1.21.2異步電機(jī)異步電機(jī) 異步電動(dòng)機(jī)又稱感應(yīng)電動(dòng)

5、機(jī)，根據(jù)電磁力定律，載流的轉(zhuǎn)子導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受到電磁力作用，形成電磁轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，當(dāng)電動(dòng)機(jī)軸上帶機(jī)械負(fù)載時(shí)，便向外輸出機(jī)械能。2.2.12.2.1異步電機(jī)的工作原理異步電機(jī)的工作原理三相異步電動(dòng)機(jī)的種類很多，但各類三相異步電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)是相同的，它們都由定子和轉(zhuǎn)子這兩大基本部分組成，在定子和轉(zhuǎn)子之間具有一定的氣隙。此外，還有端蓋、軸承、接線盒、吊環(huán)等其他附件當(dāng)繞組接通三相電源時(shí)，就在繞組中產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，以n1的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，并以全速切割轉(zhuǎn)子，在轉(zhuǎn)子鼠籠中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，因?yàn)槭蠡\是閉合的，此電勢(shì)形成電流，產(chǎn)生磁場(chǎng)，與定子的磁場(chǎng)作用開(kāi)始旋轉(zhuǎn)、加速。三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速永遠(yuǎn)低于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的同步轉(zhuǎn)

6、速，使轉(zhuǎn)子和旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而保證轉(zhuǎn)子的閉合導(dǎo)體切割磁力線，感生電流，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。2.2.2.2.異步電機(jī)技術(shù)特點(diǎn)及優(yōu)缺點(diǎn)異步電機(jī)技術(shù)特點(diǎn)及優(yōu)缺點(diǎn)1）基本特點(diǎn)：轉(zhuǎn)子繞組不需與其他電源相連，器定子電流直接取自交流電力系統(tǒng)；與其他電動(dòng)機(jī)相比，異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造、使用、維護(hù)方便，運(yùn)行可靠性高，質(zhì)量輕，成本低。小型輕量化。易實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速超過(guò)10 000r/min 的高速旋轉(zhuǎn)。高速低轉(zhuǎn)矩時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)效率高。 低速時(shí)有高轉(zhuǎn)矩，以及有寬泛的速度控制范圍。高可靠性（堅(jiān)固）。制造成本低。 控制裝置的簡(jiǎn)單化。異步電動(dòng)機(jī)的基本特點(diǎn)是，轉(zhuǎn)子繞組不需與其他電源相連，其定子電流直接取自交流電力系統(tǒng)；與其他電機(jī)相比，異

7、步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造、使用、維護(hù)方便，運(yùn)行可靠性高，重量輕，成本低。以三相異步電動(dòng)機(jī)為例，與同功率、同轉(zhuǎn)速的直流電動(dòng)機(jī)相比，前者重量只及后者的二分之一，成本僅為三分之一。在大功率、低轉(zhuǎn)速場(chǎng)合(如拖動(dòng)球磨機(jī)、壓縮機(jī)等)不如用同步電動(dòng)機(jī)合理。2）局限性：它的轉(zhuǎn)速與其旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的同步轉(zhuǎn)速有固定的轉(zhuǎn)差率，因而轉(zhuǎn)速性能較差，在要求有較寬廣的平滑調(diào)速范圍的使用場(chǎng)合，不如直流電動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)、方便。此外，運(yùn)行時(shí)從電力系統(tǒng)吸取無(wú)功功率以勵(lì)磁，這回導(dǎo)致電力系統(tǒng)的功率因數(shù)變壞。所以在大功率、低轉(zhuǎn)速場(chǎng)合不如同步電動(dòng)機(jī)合理。目前電動(dòng)汽車上主要使用籠型異步電動(dòng)機(jī)。2.32.3永磁同步電機(jī)永磁同步電機(jī)永磁同步電機(jī)具有高效、高

8、控制精度、高轉(zhuǎn)矩、良好的轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)及低振動(dòng)噪聲的特點(diǎn)，通過(guò)合理設(shè)計(jì)永磁磁路結(jié)構(gòu)能夠獲得較高的弱磁性能，能在電動(dòng)驅(qū)動(dòng)方面具有很高的應(yīng)用價(jià)值。2.3.12.3.1永磁同步電機(jī)的工作原理永磁同步電機(jī)的工作原理永磁同步電機(jī)在結(jié)構(gòu)上與永磁無(wú)刷直流電機(jī)類似，只是它通過(guò)正弦波驅(qū)動(dòng)。根據(jù)轉(zhuǎn)子上永磁體安裝方式的不同，一般可以分為表面式和內(nèi)置式，其中表面式適用于低速電機(jī)，內(nèi)置式適用于高速電機(jī)。相對(duì)于無(wú)刷直流電機(jī)，永磁同步電機(jī)具有低噪聲，大功率密度，小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，高控制精度等優(yōu)勢(shì)，并且可以實(shí)現(xiàn)弱磁調(diào)速，提高恒功率運(yùn)行的范圍，特別適合作為電動(dòng)汽車用輪轂電機(jī)。永磁同步電機(jī)基于三相交流電供電工作，其數(shù)學(xué)模型比較復(fù)雜， 控制方

9、法也非常復(fù)雜。常用的控制方法有矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制。2.3.22.3.2永磁同步電機(jī)的特點(diǎn)及優(yōu)缺點(diǎn)永磁同步電機(jī)的特點(diǎn)及優(yōu)缺點(diǎn)永磁同步電機(jī)與其他電機(jī)相比有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）無(wú)刷運(yùn)行、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠。（2）對(duì)負(fù)載變化而引起的電動(dòng)機(jī)擾動(dòng)有較強(qiáng)的承受能力。（3）控制簡(jiǎn)單，控制電源頻率就可以控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。（4）可以在很低的轉(zhuǎn)速下保持同步運(yùn)行，調(diào)速范圍寬。（5）體積小，質(zhì)量輕。永磁同步電機(jī)與有以下缺點(diǎn)：（1）轉(zhuǎn)子為永磁體，無(wú)法調(diào)節(jié)，必須通過(guò)加定子直軸去磁電流分量來(lái)削弱磁場(chǎng)，這回增大定子的電流，增加電動(dòng)機(jī)的銅耗。（2)永磁電動(dòng)機(jī)的磁鋼價(jià)格較高。 由此可見(jiàn)，永磁電動(dòng)機(jī)體積小，質(zhì)量輕，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，功率密度高

10、，適合電動(dòng)汽空間有限的特點(diǎn)需要；另外轉(zhuǎn)矩慣量比大，過(guò)載能力強(qiáng)，尤其低轉(zhuǎn)矩時(shí)輸出轉(zhuǎn)巨大，適合電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)加速。因此，永磁電動(dòng)機(jī)得到國(guó)內(nèi)外電動(dòng)汽車界的廣泛重視，并得到了普遍應(yīng)用。2.42.4開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)是繼交流電動(dòng)機(jī)和直流電動(dòng)機(jī)后，又一極具發(fā)展?jié)摿Φ男滦碗妱?dòng)機(jī)。是集現(xiàn)代微電子技術(shù)、數(shù)字技術(shù)、電力電子技術(shù)、紅外光電技術(shù)及現(xiàn)代電磁理論、設(shè)計(jì)和制作技術(shù)為一體的光、機(jī)、電一體化高新技術(shù)。它具有調(diào)速系統(tǒng)兼具直流、交流兩類調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)。2.4.12.4.1開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的原理開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的原理下圖為四相8 /6 極開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的結(jié)構(gòu)原理圖。SM 的定子繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)遵循“磁阻

11、最小原理”，對(duì)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生磁拉力，從而形成磁阻性質(zhì)的電磁轉(zhuǎn)矩。2.4.22.4.2開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)（1）開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)有較大的電動(dòng)機(jī)利用系數(shù)，可以是感應(yīng)電動(dòng)機(jī)利用系數(shù)的1.21.4倍。（2)具有制造工序少、成本低、工作可靠、維修量小等特點(diǎn)。 (3)開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)SED線路簡(jiǎn)單，可靠性高，成本低于PWM交流調(diào)速系統(tǒng)。 (4)開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)形式對(duì)轉(zhuǎn)速限制小，可制成高轉(zhuǎn)速電動(dòng)機(jī)，而且轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，在電流每次換相時(shí)又可以隨時(shí)改變相匝轉(zhuǎn)矩的大小和方向，因而系統(tǒng)有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。(5)由于SR開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)采用了獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)方法以及相應(yīng)的控制技巧，其單位處理可

12、以與感應(yīng)電動(dòng)機(jī)相媲美，甚至還略占優(yōu)勢(shì)。SRD系統(tǒng)的效率和功率密度在寬廣的速度和負(fù)載范圍內(nèi)都可以維持在教導(dǎo)水平。開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)SRD系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)是：(1)有轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。從工作原理可知，S開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩是由一些列脈沖轉(zhuǎn)矩疊加而成的，由于雙凸極結(jié)構(gòu)和磁路飽和非線性的影響，合成轉(zhuǎn)矩不是一個(gè)恒定轉(zhuǎn)矩，而有一定的諧波分量，這影響了SR電動(dòng)機(jī)低速運(yùn)行性能。(2) SR電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的噪聲與震動(dòng)比一般電動(dòng)機(jī)大。(3)SR電動(dòng)機(jī)的出線頭較多，如三相SR 電動(dòng)機(jī)至少有四根出線頭，四相SR電動(dòng)機(jī)至少有五根出線頭，而且還有位置檢測(cè)器出線端。3 3、電機(jī)發(fā)展趨勢(shì)、電機(jī)發(fā)展趨勢(shì) 根據(jù)電動(dòng)汽車“十二

13、五”專項(xiàng)規(guī)劃對(duì)新能源汽車 驅(qū) 動(dòng) 電 機(jī) 系 統(tǒng) 的 性 能 要 求 ： 電 機(jī) 功 率 密 度2.7kW/kg，電機(jī)扭矩密度55 Nm/L，控制器質(zhì)量密度6.0 kVA/kg，控制器體積密度8.0 kVA/L，系統(tǒng)最高效率94%，系統(tǒng)高效區(qū)（效率80 區(qū)域）75%，壽命30 萬(wàn)km。系統(tǒng)成本：乘用車200 元/kW，商用車300 元/kW7。另一方面受電池技術(shù)的制約，電機(jī)的啟動(dòng)性能、加速性能、低速時(shí)的效率、制動(dòng)及滑行時(shí)的能量再生能力、電機(jī)的過(guò)載能力、電機(jī)的能量密度及電機(jī)可靠性是衡量電動(dòng)車輛驅(qū)動(dòng)電機(jī)好壞的重要指標(biāo)。（1）驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率密度不斷提高。驅(qū)動(dòng)電機(jī)作為動(dòng)力輸出源，其自身的性能直接影響到

14、了電動(dòng)汽車的整體性能。除了需要滿足不同工況不同車型的需求，還要受車內(nèi)空間的限制。這就需要電動(dòng)轎車用電機(jī)向高性能和小尺寸發(fā)展。不斷提高電機(jī)本身的功率密度，用相對(duì)小巧的電機(jī)發(fā)揮出大的功率成為驅(qū)動(dòng)電機(jī)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。永磁電機(jī)具有高轉(zhuǎn)矩密度、高功率密度、高效率及高可靠性等優(yōu)點(diǎn)。我國(guó)具有世界最為豐富的稀土資源，因此高效節(jié)能、高性能、輕型化永磁電機(jī)是我國(guó)車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)的發(fā)展方向。（2）驅(qū)動(dòng)電機(jī)高速化，回饋制動(dòng)范圍寬廣高效化。通過(guò)提高電機(jī)的工作轉(zhuǎn)速，減小電機(jī)的體積和質(zhì)量，進(jìn)而拓寬回饋制動(dòng)的范圍，采用適當(dāng)?shù)淖兯傧到y(tǒng)及控制策略，可以使回饋制動(dòng)的允許范圍拓寬而適應(yīng)更多工況，使整車節(jié)能更加有效，延長(zhǎng)行車?yán)锍獭＃?）驅(qū)

15、動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)集成化和一體化。未來(lái)為了進(jìn)一步減小驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)質(zhì)量和體積，驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)的集成化程度將會(huì)不斷提高。電機(jī)、電機(jī)控制器、變速箱、減速器、DC- DC 的集成度將會(huì)越來(lái)越高，從結(jié)構(gòu)集成到控制集成化和系統(tǒng)集成化，電機(jī)和變速箱的一體化將會(huì)越來(lái)越明顯。（4）驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制系統(tǒng)數(shù)字化。電動(dòng)轎車用電控制系統(tǒng)集成度越來(lái)越高，電機(jī)控制器、DC- DC、變速箱控制器、整車控制器進(jìn)行不同方式的集成。高速、高性能的微處理器使得電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)入全新的數(shù)字化時(shí)代。面向用戶的可視化編程，也可以通過(guò)代碼轉(zhuǎn)化和下載直接進(jìn)入微處理，不斷提高編程效率和可調(diào)試性。（5）開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)市場(chǎng)化。未來(lái)為滿足消費(fèi)者對(duì)純電動(dòng)轎車的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性需求，需要考慮到純電動(dòng)轎車的成本、效率、續(xù)駛里程、100 km 能耗、最高速度等問(wèn)題，在解決開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大的問(wèn)題后，擁有結(jié)構(gòu)和控制簡(jiǎn)單、效率高、轉(zhuǎn)速范圍寬、成本低、質(zhì)量輕等特點(diǎn)