新能源汽車(chē)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)解析
發(fā)布時(shí)間:
2018-07-25
近年隨著我國(guó)交通事業(yè)的飛速發(fā)展,交通領(lǐng)域成為我國(guó)能耗增長(zhǎng)最快的領(lǐng)域。能源危機(jī)和環(huán)境污染的加劇,使電動(dòng)汽車(chē)研發(fā)成為世界汽車(chē)工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略性項(xiàng)目
近年隨著我國(guó)交通事業(yè)的飛速發(fā)展,交通領(lǐng)域成為我國(guó)能耗增長(zhǎng)最快的領(lǐng)域。能源危機(jī)和環(huán)境污染的加劇,使電動(dòng)汽車(chē)研發(fā)成為世界汽車(chē)工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略性項(xiàng)目,世界各國(guó)也普遍將發(fā)展電動(dòng)汽車(chē)確立為保障能源安全和轉(zhuǎn)型低碳經(jīng)濟(jì)的重要途徑。
1881年,第一輛電動(dòng)汽車(chē)由法國(guó)工程師古斯塔夫.士維(GustaveTrouve)制造問(wèn)世,它是采用鉛酸蓄電池供電,由0.1hp(英制馬力,1hp=745.7W)的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的三輪電動(dòng)汽車(chē),整車(chē)及其駕駛員的重量約160kg。兩位英國(guó)教授在1883年制成了相似的電動(dòng)汽車(chē)。因當(dāng)時(shí)該應(yīng)用技術(shù)尚未成熟到足以與馬車(chē)競(jìng)爭(zhēng),因此這些早期構(gòu)造并沒(méi)有引起公眾很多的注意。
20世紀(jì)40年代之后,半導(dǎo)體技術(shù)快速發(fā)展,隨后出現(xiàn)的晶閘管、三極管,尤其是在20世紀(jì)80年代問(wèn)世的絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)為電機(jī)調(diào)速與控制提供了便利,同時(shí)伴以電力電子技術(shù)的快速發(fā)展,為以電能為能源的電機(jī)取代以石油為能源的內(nèi)燃機(jī)提供了技術(shù)基礎(chǔ)。
一、電動(dòng)汽車(chē)分類(lèi)根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T19596-2004電動(dòng)汽車(chē)術(shù)語(yǔ),電動(dòng)汽車(chē)可分為由動(dòng)動(dòng)力電池提供能源的純電動(dòng)汽車(chē)、電機(jī)和內(nèi)燃機(jī)共存的混合動(dòng)力汽車(chē)和以燃料電池為能源的燃料電池電動(dòng)汽車(chē),這三類(lèi)電動(dòng)汽車(chē)均采用一個(gè)及以上的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能,進(jìn)而驅(qū)動(dòng)汽車(chē),同時(shí)回收剎車(chē)的制動(dòng)能量,從而實(shí)現(xiàn)了能量利用率的提升。
1.純電動(dòng)汽車(chē)
純電動(dòng)汽車(chē)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)汽車(chē),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(dòng)汽車(chē)被認(rèn)為是汽車(chē)工業(yè)的未來(lái)。典型的純電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力結(jié)構(gòu)如圖1所示。電池組的電能通過(guò)充電系統(tǒng)在車(chē)輛行駛一定里程后進(jìn)行補(bǔ)充。純電動(dòng)汽車(chē)的特點(diǎn)是車(chē)輛實(shí)現(xiàn)零排放,不依賴(lài)汽油,完全采用電能驅(qū)動(dòng)車(chē)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(dòng)汽車(chē)的連續(xù)行駛里程有限。
2.混合動(dòng)力汽車(chē)
混合動(dòng)力汽車(chē)按動(dòng)力總成結(jié)構(gòu)及能量流傳遞方案不同,可分為串聯(lián)、并聯(lián)及混聯(lián)三種混合動(dòng)力方式。串聯(lián)混合動(dòng)力車(chē)輛中,發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力與電動(dòng)機(jī)動(dòng)力通過(guò)電氣系統(tǒng)傳遞;并聯(lián)和混聯(lián)混合動(dòng)力車(chē)輛中,發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力與電動(dòng)機(jī)動(dòng)力通過(guò)一個(gè)專(zhuān)門(mén)的機(jī)電耦合機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)向車(chē)輪的傳遞,常用的機(jī)電耦合機(jī)構(gòu)包括行星齒輪耦合、變速器耦合及離合器耦合等。
串聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)的動(dòng)力總成,發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械能通過(guò)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化為電能,電動(dòng)機(jī)將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能傳到驅(qū)動(dòng)橋,驅(qū)動(dòng)橋和發(fā)動(dòng)機(jī)之間沒(méi)有直接的機(jī)械連接。該方案的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)控制簡(jiǎn)單,缺點(diǎn)是難以應(yīng)對(duì)復(fù)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(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng),電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)齒輪減速機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)動(dòng)力耦合。并聯(lián)混合動(dòng)力具有三種驅(qū)動(dòng)模式:發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng),電動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng),發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)混合驅(qū)動(dòng)。并聯(lián)式混合動(dòng)力總成具有如下優(yōu)點(diǎn):(1)發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)兩個(gè)動(dòng)力總成,兩者的功率分別可以等于50%~100%車(chē)輛驅(qū)動(dòng)功率,比串聯(lián)混合動(dòng)力汽車(chē)的三個(gè)動(dòng)力總成的功率、質(zhì)量和體積小。
(2)發(fā)動(dòng)機(jī)可直接驅(qū)動(dòng)車(chē)輛,能量轉(zhuǎn)換綜合效率比串聯(lián)混合動(dòng)力汽車(chē)高。車(chē)輛需要最大輸出功率時(shí),電動(dòng)機(jī)可以給發(fā)動(dòng)機(jī)提供額外的輔助動(dòng)力,因此可配置小功率發(fā)動(dòng)機(jī),燃油經(jīng)濟(jì)性比串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車(chē)好。
(3)與電動(dòng)機(jī)配套的動(dòng)力電池組容量較小,整車(chē)質(zhì)量減輕。
但是,并聯(lián)混合動(dòng)力汽車(chē)需要裝配變速器、離合器、傳動(dòng)軸和驅(qū)動(dòng)橋等結(jié)構(gòu),還需裝配電動(dòng)機(jī)、動(dòng)力電池組和動(dòng)力組合器等裝置,因此動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,結(jié)構(gòu)布置和整車(chē)控制更困難。
著名的混合動(dòng)力汽車(chē)Pruis采用混連式混合動(dòng)力總成,耦合器采用行星齒輪結(jié)構(gòu),發(fā)動(dòng)機(jī)與行星齒輪的行星架相連,發(fā)電機(jī)連接太陽(yáng)輪,電動(dòng)機(jī)連接齒圈。通過(guò)控制離合器、兩個(gè)電機(jī)及制動(dòng)器工作狀態(tài),可以實(shí)現(xiàn)多種工作模式?;炻?lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)與串聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)相比,增加了機(jī)械動(dòng)力的傳遞路線(xiàn),與并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)相比,增加了電能的傳輸路線(xiàn)?;爝B式混合動(dòng)力系統(tǒng)具有如下優(yōu)點(diǎn):(1)三個(gè)動(dòng)力總成比串聯(lián)式混合動(dòng)力三個(gè)動(dòng)力總成的功率、質(zhì)量和體積小。
(2)電動(dòng)機(jī)可獨(dú)立驅(qū)動(dòng)車(chē)輛行駛。利用電動(dòng)機(jī)低速大轉(zhuǎn)矩特性,帶動(dòng)車(chē)輛起步,在城市中實(shí)現(xiàn)“零污染”行駛。車(chē)輛需最大輸出功率時(shí),電動(dòng)機(jī)可為發(fā)動(dòng)機(jī)提供輔助動(dòng)力,因此發(fā)動(dòng)機(jī)功率小,燃油經(jīng)濟(jì)性好。
但是混連式混合動(dòng)力系統(tǒng)需要配備兩套驅(qū)動(dòng)系統(tǒng);發(fā)動(dòng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)需要裝配離合器、變速器、傳動(dòng)軸和驅(qū)動(dòng)橋等傳動(dòng)總成;另外,還有電動(dòng)機(jī)、減速器、動(dòng)力電池組,以及多種能源動(dòng)力(發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力與電動(dòng)機(jī)動(dòng)力)組合或協(xié)調(diào)專(zhuān)用裝置。
3.燃料電池電動(dòng)汽車(chē)燃料電池是一種通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)的方式將燃料和氧化劑的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置,具有高能量轉(zhuǎn)換效率和“零排放”特點(diǎn),成為電動(dòng)汽車(chē)的候選電源。燃料電池電動(dòng)汽車(chē)具有系統(tǒng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單,便于系統(tǒng)布置,有利于整車(chē)輕量化的優(yōu)點(diǎn)。但是由于燃料電池壽命短,系統(tǒng)功率密度低、裝置可靠性難以保證等問(wèn)題,導(dǎo)致燃料電池電動(dòng)汽車(chē)近年來(lái)發(fā)展緩慢。
車(chē)用電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
車(chē)用電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是電動(dòng)汽車(chē)的關(guān)鍵技術(shù)和共性技術(shù)。因?yàn)槭艿杰?chē)輛空間限制和使用環(huán)境的約束,車(chē)用電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)不同于普通的電傳動(dòng)系統(tǒng),它要求具有更高的運(yùn)行性能、比功率,以及適應(yīng)更嚴(yán)酷的工作環(huán)境等。為了滿(mǎn)足這些要求,車(chē)用電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)基本上可以歸納為電機(jī)永磁化、控制數(shù)字化和系統(tǒng)集成化,電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu).1.高功率密度車(chē)用電機(jī)控制器電動(dòng)汽車(chē)中主驅(qū)動(dòng)電機(jī)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(cè)支撐電容和疊層母線(xiàn)排。根據(jù)車(chē)輛對(duì)控制器的功率等級(jí)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(cè)支撐電容是控制器中最重要的無(wú)源器件,主要作用是吸收功率模塊開(kāi)關(guān)造成的直流側(cè)脈動(dòng)電流,穩(wěn)定直流側(cè)輸出電壓電流,從而提高蓄電池使用壽命,其體積和重量對(duì)控制器的功率密度有很大影響。因此,IGBT功率模塊和直流側(cè)支撐電容是提高控制器性能和成本控制的關(guān)鍵。
為了提高IGBT功率模塊的運(yùn)行性能和可靠性,并降低成本,中國(guó)科學(xué)院電工研究所聯(lián)合國(guó)內(nèi)功率模塊封裝企業(yè)進(jìn)行具備自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的國(guó)產(chǎn)智能IGBT功率模塊研發(fā)。在IGBT設(shè)計(jì)方面進(jìn)行了大量分析優(yōu)化和工藝設(shè)計(jì)工作。
中國(guó)科學(xué)院電工研究所應(yīng)用智能IGBT功率模塊和金屬膜電容技術(shù)所研制的60kW高功率密度電機(jī)控制器的重量比功率為4kW/kg,體積比功率為6kW/L。并且成功應(yīng)用于力帆LF620純電動(dòng)警務(wù)車(chē),服務(wù)于2010年上海世博會(huì)。
2.高功率密度車(chē)用電機(jī)
目前,電動(dòng)汽車(chē)用電動(dòng)機(jī)主要有異步電機(jī)、永磁電機(jī)和開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)。電動(dòng)車(chē)輛的驅(qū)動(dòng)電機(jī)屬于特種電機(jī),是電動(dòng)汽車(chē)的關(guān)鍵部件。要使電動(dòng)汽車(chē)有良好的使用性能,驅(qū)動(dòng)電機(jī)應(yīng)具有較寬的調(diào)速范圍及較高的轉(zhuǎn)速,足夠大的啟動(dòng)扭矩,體積小、質(zhì)量輕、效率高且有動(dòng)態(tài)制動(dòng)強(qiáng)和能量回饋的性能。目前電動(dòng)汽車(chē)所采用的電動(dòng)機(jī)中,直流電動(dòng)機(jī)基本上已被異步電動(dòng)機(jī)、永磁同步電機(jī)或開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)所取代。
由于永磁同步電機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊、效率高、功率密度高的優(yōu)勢(shì),近年來(lái)廣泛用于電動(dòng)汽車(chē)應(yīng)用。為了進(jìn)一步滿(mǎn)足車(chē)輛應(yīng)用的特殊需求,混合勵(lì)磁電機(jī)、盤(pán)式電機(jī)等新型特種電機(jī)也應(yīng)用于車(chē)用領(lǐng)域。電動(dòng)汽車(chē)所用的電機(jī)正在向大功率、高轉(zhuǎn)速、高效率和小型化方向發(fā)展。
(1)永磁同步電機(jī)
電機(jī)是以磁場(chǎng)為媒介進(jìn)行電能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)換的電磁裝置,在電動(dòng)汽車(chē)中起到了將電池中的電能裝換為驅(qū)動(dòng)車(chē)輛的機(jī)械能,或?qū)⑵?chē)需制動(dòng)時(shí)多余的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能存儲(chǔ)在電池中。為了在電機(jī)內(nèi)建立進(jìn)行電能轉(zhuǎn)換所必需的氣隙磁場(chǎng),可以采用電機(jī)內(nèi)繞組通以電流來(lái)產(chǎn)磁場(chǎng),另一種是由永磁體產(chǎn)生磁場(chǎng)。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(jī)可以獲得較強(qiáng)的氣隙磁場(chǎng),減小了電機(jī)體積,質(zhì)量輕,損耗小,效率高,電機(jī)的形狀和尺寸靈活多樣,適合于車(chē)用電機(jī)高功率密度的需求。
永磁同步電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中定子繞組通以三相對(duì)稱(chēng)電流,在電機(jī)氣隙中建立與電機(jī)轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng),通過(guò)控制算法調(diào)節(jié)電流的相位與頻率,實(shí)現(xiàn)電機(jī)在全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的穩(wěn)定運(yùn)行。
(2)混合勵(lì)磁電機(jī)
永磁電機(jī)的永磁磁鏈無(wú)法調(diào)節(jié)的缺點(diǎn),在恒定供電電壓下帶來(lái)了弱磁控制問(wèn)題:車(chē)輛動(dòng)力性能要求電機(jī)系統(tǒng)在高轉(zhuǎn)速下需要較寬的恒功率調(diào)速范圍保證車(chē)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(jī)系統(tǒng)采用增加定子繞組去磁電流的方法抵消永磁磁場(chǎng),從而達(dá)到恒定供電電壓下弱磁調(diào)速的目的。但這種方法降低了系統(tǒng)效率和功率因數(shù),增加了控制器成本,同時(shí)還存在深度弱磁控制時(shí)穩(wěn)定性差和高速失控時(shí)的電壓安全問(wèn)題?;旌蟿?lì)磁電機(jī)是解決以上問(wèn)題的可行技術(shù)。
混合勵(lì)磁電機(jī)在永磁電機(jī)與電勵(lì)磁電機(jī)的基礎(chǔ)上演變而來(lái),通過(guò)在永磁電機(jī)中引入電勵(lì)磁繞組使電機(jī)獲得勵(lì)磁可控的性能,電機(jī)更適合于寬速度范圍、高弱磁比的應(yīng)用場(chǎng)合,彌補(bǔ)了單一勵(lì)磁方式的不足。中國(guó)科學(xué)院電工研究所以旁路式混合勵(lì)磁電機(jī)為研究對(duì)象,在電機(jī)結(jié)構(gòu)、電機(jī)參數(shù)特性、電機(jī)數(shù)學(xué)模型及勵(lì)磁電流規(guī)劃等方面進(jìn)行了深入的研究。旁路式混合勵(lì)磁電機(jī)最大程度繼承永磁電機(jī)高效、高功率密度的優(yōu)點(diǎn),電機(jī)勵(lì)磁主要由永磁磁勢(shì)提供,電勵(lì)磁磁勢(shì)主要用與增強(qiáng)或削弱主磁路磁通,通過(guò)調(diào)節(jié)電勵(lì)磁電流的大小實(shí)現(xiàn)電勵(lì)磁助磁與弱磁功能。
混合勵(lì)磁電機(jī)具有助磁和弱磁兩個(gè)工況:(1)助磁工況:電勵(lì)磁助磁工況下的磁路。N極側(cè)的電勵(lì)磁磁力線(xiàn)從電勵(lì)磁端蓋通過(guò)軸向氣隙進(jìn)入電機(jī)轉(zhuǎn)子N極,與永磁體磁力線(xiàn)一同通過(guò)主氣隙與電樞繞組交鏈,一部分磁力線(xiàn)通過(guò)端蓋閉合,另一部分磁力線(xiàn)通過(guò)電機(jī)軛部與主氣隙進(jìn)入轉(zhuǎn)子S極,通過(guò)S極側(cè)軸向氣隙進(jìn)入電勵(lì)磁旁路閉合。
(2)弱磁工況:電勵(lì)磁弱磁通過(guò)勵(lì)磁電流反向?qū)崿F(xiàn),反向的電勵(lì)磁磁勢(shì)與永磁體磁勢(shì)建立與助磁工況下電勵(lì)磁旁路中相反的磁力線(xiàn)方向,部分永磁體磁力線(xiàn)不經(jīng)過(guò)主氣隙與電樞繞組交鏈,實(shí)現(xiàn)電機(jī)弱磁運(yùn)行。
綜合來(lái)看,與傳統(tǒng)無(wú)刷永磁電機(jī)相比,旁路式混合勵(lì)磁電機(jī)具有顯著優(yōu)點(diǎn):如低速時(shí)增大勵(lì)磁以提高輸出轉(zhuǎn)矩;高速運(yùn)行時(shí)減小或反向勵(lì)磁從而拓寬電機(jī)的恒功率弱磁區(qū);降低電機(jī)在高速運(yùn)行下的鐵損,提高效率;動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流大小,提高負(fù)載變化時(shí)發(fā)電電壓動(dòng)態(tài)性能;減小電樞反應(yīng)弱磁磁勢(shì),降低永磁體高溫運(yùn)行時(shí)的失磁風(fēng)險(xiǎn)等?;旌蟿?lì)磁是未來(lái)車(chē)用永磁電機(jī)的一個(gè)重要發(fā)展趨勢(shì)。
3.車(chē)用電機(jī)控制技術(shù)
針對(duì)電機(jī)控制系統(tǒng)強(qiáng)非線(xiàn)性、參數(shù)變化,以及汽車(chē)對(duì)電機(jī)系統(tǒng)高速和寬調(diào)速范圍的一些需求,中科院電工所重點(diǎn)圍繞高性能電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)適用于車(chē)用工況的安全可靠與高效節(jié)能運(yùn)行控制的技術(shù)難點(diǎn),提出了死區(qū)補(bǔ)償技術(shù),解決了純電動(dòng)汽車(chē)低速輕載工況的低速脈動(dòng)問(wèn)題;提出了基于單調(diào)節(jié)器的深度弱磁控制方法和解耦控制技術(shù),解決了電動(dòng)汽車(chē)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)高速運(yùn)動(dòng)控制和高速發(fā)電控制難題。
隨著純電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展,對(duì)電機(jī)的恒功率弱磁特性要求越來(lái)越高,人們希望電機(jī)的輸出特性能夠完全覆蓋汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)特性,從而省去變速機(jī)構(gòu),節(jié)省空間體積和成本。因此,弱磁控制成為車(chē)用電機(jī)控制的重要研究方向之一。而經(jīng)中科院電工所研究發(fā)現(xiàn),目前常用的雙電流環(huán)弱磁控制中,存在發(fā)生不可逆的失控可能,造成嚴(yán)重的系統(tǒng)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(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證恒功率區(qū)可達(dá)1:6,完全滿(mǎn)足車(chē)用需求。
四、總結(jié)我國(guó)在傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)車(chē)輛方面較國(guó)外存在一定差距,但是電動(dòng)汽車(chē)正處在起步階段,我國(guó)在電機(jī)驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)和扎實(shí)的理論,近年來(lái)也在電動(dòng)汽車(chē)關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)方面投入較大,培育了大批的研發(fā)機(jī)構(gòu)和生產(chǎn)企業(yè),雖然目前的發(fā)展中存在困難和曲折,但是并沒(méi)有改變政府和產(chǎn)業(yè)界發(fā)展電動(dòng)汽車(chē)的決心。雖然傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)車(chē)輛還占據(jù)目前車(chē)輛市場(chǎng)的絕對(duì)主導(dǎo),但是發(fā)展清潔的電動(dòng)汽車(chē)在能源、環(huán)境和技術(shù)方面都是大勢(shì)所趨。伴隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展,電動(dòng)汽車(chē)將會(huì)迎來(lái)進(jìn)入尋常百姓家的一天。
相關(guān)新聞