电动车电机选型(参考).ppt

电动车电机选型和控制策略 动力总成 内容 一 电动车发展里程 二 电机简介 四 电机的控制方法 三 电机匹配计算 内容 一 电动车发展里程 二 电机简介 四 我国电机应用 三 电机匹配计算 一 电动汽车的发展概况 电动车辆实际上比内燃机车辆出现的要早 1859年 法国人旨兰特 Plante 发明了蓄电池 即为电动车辆的实际应用开辟了道路 1873年英国人RobertDavidson首次在马车的基础上制造出一辆电动三轮车 它由铁锌电池 一次电池 提供电力 由电机驱动 它比内燃机为动力的汽车发明早13年 1881午 法国工程师GustaveTmuve制造丁第一辆电动三轮车 1882年 英格兰的W E Agcton和JhonPerry组装了第二辆电动三轮车 1890年 美国依阿华州诞生了第一辆电动汽车 一 电动汽车的发展概况 一 电动汽车的发展概况 1899年 法国制造出第一辆电动汽车 1900年 德国出现了第一辆电动汽车 1912年 美国已大量生产电动汽车 20世纪20年代初 在美国汽车保有量中 电动汽车占38 而内燃机作动力的车辆仪占22 1915年 美国电动汽车的保有量达5万辆 1912年 美国工程师CharlesKettering发明了启动机 这促进了内燃机汽车的发展 而电动汽车由于不适应长距离行驶 发展几乎停滞 电动汽车经历了漫长的发展岁月电动汽车是以电为动力的汽车 电的来源可有多种方法 然而 由于当时的技术水平和社会环境所限 电动汽车没有发展起来 但燃烧汽油的内燃机汽车发展得很快 在全世界的保有量迅速增加 尤其是在发达国家的大城市 汽车增加得更快 这样 汽车尾气排放的有害物质便成为第一大环境污染源 1955年9月中的几天里 美国洛杉矶的光化学烟雾非常浓烈 两天之内就有400多名65岁以上的老年人死亡 比平时高出几倍 一 电动汽车的发展概况 一 电动汽车的发展概况 汽车尾气的排放对人类健康和人们生活构成了严重威胁 再综合能源问题的考虑 于是 具有零排放污染的电动汽车重新被重视起来 各国都制定了相关的鼓励政策 典型的例子如美国 1993年9月 美国政府提出了10年完成的 新一代汽车合作计划 PNGV 由政府牵头 组织几十个公司和机构 完成提高燃料经济性和开发电动汽车的规定目标 各大公司在政府的支持下 也制定了发展电动汽车的长远规划 调动社会上各种力量参与电动汽车的研制 电动汽车经历了关键性技术的突破 样机 样车的研制 区域性试用以及小批量实际应用等探索阶段 现在已接近商业化生产 电动车辆的复苏和发展20世纪50年代到60年代中期 电动汽车开始得到复苏 一是内燃机汽车排气污染 成为发达国家公认的公害之一 人们的环保意识不断增强 对汽车的排放控制愈来愈严格 只有电动汽车才能满足零排放污染的要求 二是石油资源枯竭 西方发达国家要大量进口石油 因而人们再次将目光投向电动汽车 电动汽车在20世纪20年代末 30年代初 在与内燃机汽车的竞相发展中之所以走了下坡路 是因为制约其发展的关键因素是蓄电池技术和电力电子控制技术 在严格控制排放和节省能源的今天 依靠发展了 一 电动汽车的发展概况 的电力电子控制技术和计算机技术 加上对蓄电池的不断改进和开发新动力电源 电动车辆终将战胜内燃机车辆 成为21世纪广泛采用的交通工具 目前 美国 日本 德国 英国等汽车大国竞相发展电动汽车 世界各国 地区 竞相研究 并且相继研制出多种电动车辆 有很多已商品化 其行驶里程 行驶车速已达到人们可以接受的程度 表1 1列出了部分主要生产厂家 公司 制造的电动汽车的性能参数 一 电动汽车的发展概况 一 电动汽车的发展概况 我国电动车行业发展 在我国也曾多次兴起研究电动汽车的热潮 目前更是方兴未艾 20世纪40年代及50年代末展开的电动汽车的研究与试验 由于受技术条件的限制 未取得很大的进展 1962年 上海公用事业研究所针对国内石油奇缺问题 以解决能源为目的 研制出SWD S2型电动汽车 取得不小的进展 该车的行驶速度达到28 4km h 续驶里程达88 2km 20世纪70年代初 一些地方将目标瞄向电动车技术的薄弱环节蓄电池上 但因投入的人力物力不足 研究未取得突破性进展 20世纪80年代起 电动车辆的研究热潮迭起 1982年 我国成立了电动车辆研究会 组织了国内外电动汽车的学术交流 对电动车辆的发展起到了推动作用 一 电动汽车的发展概况 电动汽车的优点是 它本身不排放污染大气的有害气体 即使按所耗电量换算为发电厂的排放 除硫和微粒外 其它污染物也显著减少 由于电厂大多建于远离人口密集的城市 对人类伤害较少 而且电厂是固定不动的 集中的排放 清除各种有害排放物较容易 也已有了相关技术 电力可以从多种一次能源获得 如煤 核能 水力等 解除对石油资源日见枯竭的担心 电动汽车还可以充分利用晚间用电低谷时富余的电力充电 使发电设备日夜都能充分利用 大大提高其经济效益 有些研究表明 同样的原油经过粗炼 送至电厂发电 经充入电池 再由电池驱动汽车 其能量利用效率比经过精炼变为汽油 再经汽油机驱动汽车高 因此有利于节约能源和减少二氧化碳的排量 正是这些优点 使电动汽车的研究和应用成为汽车工业的一个 热点 内容 一 电动车发展里程 二 电机简介 三 电动汽车电机选型和应用 电机的发展 1831年 美国物理学家亨利设计出最初的电子式电动机 受到亨利的启发 一位名叫威廉 里奇的人设计并造出了一台可以转动的电动机 里奇的这架电动机类似于我们今天在实验室里组装的直流电动机模型 到了19世纪40年代 俄国科学家雅科比使电动机变得更为实用了 他用电磁铁替代永久磁铁进行工作 这种新型电动机当时被装在一艘游艇上 载着几名乘客驶过了涅瓦河 此事引起了极大的轰动 此后 出生于克罗地亚的美国人特斯拉于1888年 制造出了第一台感应电动机 他在各种电动机中 算是被应用最广的一种 感应电动机会将交流电快速输入一组称为 定子 的外线圈 继而产生一个旋转磁场 转轴内的一组线圈则称为 转子 它会被定子的旋转磁场感应出电流 然后转子会因电流变化而转变成电磁铁 二 电机简介 什么是电机 一种旋转式机器 它将电能转变为机械能 它主要包括一个用以产生磁场的电磁铁绕组或分布的定子绕组和一个旋转电枢或转子 其导线中有电流通过并受磁场的作用而使转动 这些机器中有些类型可作电机用 也可作发电机用 二 电机简介 电动机分类 1 直流电动机2 交流电动机 1 直流电机原理 二 电机简介 二 电机简介 a 将直流电源通过电刷接通电枢绕组 使电枢导体有电流流过 b 电机内部有磁场存在 c 载流的转子 即电枢 导体将受到电磁力f的作用f BlIa 左手定则 d 所有导体产生的电磁力作用于转子 使转子以n 转 分 旋转 以便拖动机械负载 二 电机简介 2 交流电动机原理 二 电机简介 二 电机简介 开关磁阻电机简称SR电机 或SRM 典型的开关磁阻电动机结构如图 其定子和转子均为凸极结构 定子和转子的齿数不等 转子齿数一般比定子少两个 定子齿上套有集中线圈 两个空间位置相对的定子齿线圈相串联 形成一相绕组 转子由铁心叠片而成 其上无绕组 开关磁阻电机的工作原理与磁阻式步进电动机一样 基于磁通总是沿磁导最大的路径闭合的原理 当定 转子齿中心线不重合 磁导不为最大时 磁场就会产生磁拉力 形成磁阻转矩 使转子转到磁导最大的位置 二 电机简介 当定子A相绕组流过电流时 若转子上某个齿和定子通电相齿的中心线不重合 则通电相电流所产生磁场将产生电磁力 使转子沿着使定 转子齿中心线对齐的方向旋转一个角度 最后使转子齿对准定子A相齿 由于转子齿数比定子少 转子齿距比定子齿距大 在转子某个齿对齐定子A相齿时 转子的另一个齿就与定子B相的齿中心线间又会出现偏移 若接着B相通电 那么转子又将继续转过一个角度 如果改变定子各相的通电次序 电机将改变转向 但相电流流通方向的改变是不会影响转子的转向的 二 电机简介 异步电动机定子上有三相对称的交流绕组 三相对称交流绕组通入三相对称交流电流时 将在电机气隙空间产生旋转磁场 转子绕组的导体处于旋转磁场中 转子导体切割磁力线 并产生感应电势 判断感应电势方向 转子导体通过端环自成闭路 并通过感应电流 感应电流与旋转磁场相互作用产生电磁力 判断电磁力的方向 电磁力作用在转子上将产生电磁转矩 并驱动转子旋转 根据以上电磁感应原理 异步电动机也叫感应电动机 二 电机简介 二 电机简介 电动车直流电机 1 永磁式直流电机 定子磁极采用永磁体 永久磁钢 有铁氧体 铝镍钴 钕铁硼等材料 按其结构形式可分为圆筒型和瓦块型等几种 转子一般采用硅钢片叠压而成 漆包线绕在转子铁心的两槽之间 三槽即有三个绕组 其各接头分别焊在换向器的金属片上 电刷是连接电源与转子绕组的导电部件 具备导电与耐磨两种性能 永磁电机的电刷使用单性金属片或金属石墨电刷 电化石墨电刷 二 电机简介 2 无刷直流电机 由永磁体转子 多极绕组定子 位置传感器等组成 无刷直流电机的特点是无刷 采用半导体开关器件 如霍尔元件 来实现电子换向的 即用电子开关器件代替传统的接触式换向器和电刷 它具有可靠性高 无换向火花 机械噪声低等优点 位置传感器按转子位置的变化 沿着一定次序对定子绕组的电流进行换流 即检测转子磁极相对定子绕组的位置 并在确定的位置处产生位置传感信号 经信号转换电路处理后去控制功率开关电路 按一定的逻辑关系进行绕组电流切换 位置传感器有磁敏式 光电式和电磁式三种类型 采用磁敏式位置传感器的无刷直流电动机 其磁敏传感器件 例如霍尔元件 磁敏二极管 磁敏诂极管 磁敏电阻器或专用集成电路等 装在定子组件上 用来检测永磁体 转子旋转时产生的磁场变化 电动汽车多用的是霍尔元件 二 电机简介 电动汽车驱动电机的特性和要求 用于电动汽车的驱动电机与常规的工业电机不同 电动汽车的驱动电机通常要求频繁的启动 停车 加速 减速 低速或爬坡时要求高转矩 高速行驶时要求低转矩 并要求变速范围大 而工业电机通常优化在额定的工作点 因此 电动汽车驱动电机比较独特 应单独归为一类 他们在负载要求 技术性能和工作环境等方面有着特殊的要求 二 电机简介 1 电动汽车驱动电机需要有4 5倍的过载以满足短时加速或爬坡的要求 而工业电机只要求有2倍的过载就可以了 2 电动汽车的最高转速要求达到在公路上巡航时基本速度的4 5倍 而工业电机只需要达到恒功率是基本速度的2倍即可 3 电动汽车驱动电机需要根据车型和驾驶员的驾驶习惯设计 而工业电机只需根据典型的工作模式设计 4 电动汽车驱动电机要求有高度功率密度 一般要求达到1kg kw以内 和好的效率图 在较宽的转速范围和转矩范围内都有较高的效率 从而能够降低车重 延长续驶里程 而工业电机通常对功率密度 效率和成本进行综合考虑 在额定工作点附近对效率进行优化 二 电机简介 5 电动汽车驱动电机要求工作可控性高 稳态精度高 动态性能好 而工业电机只有某一种特定的性能要求 6 电动汽车驱动电机被装在机动车上 空间小 工作在高温 坏天气 及频繁振动等等恶劣环境下 而工业电机通常在某一个固定位置工作 因此 我们在电动汽车驱动电机的选型或设计时 应当综合考虑上述要求 二 电机简介 目前的电动汽车驱动电机介绍 1 直流电机 习惯上把有换向器的直流电机称为直流电机 优点是其电磁绕组的磁场与电枢绕组的磁场是垂直的 因而其控制原理非常简单 通过用永磁材料代替励磁绕组后 就变成了永磁直流电机 由于有效的利用了径向空间 使定子的直径大大减小 并且没有磁场损失 提高了功率密度和效率 但缺点是由于有换向器和电刷 使它的可靠性降低 火花和碳粉 且需要定期专业维护 二 电机简介 2 永磁无刷直流电机 通过改变永磁直流电机的定子和转子的位置 就可以得到永磁无刷直流电机 需注意到是 直流 这个术语会引起误解 因为它并不是指直流电机 实际上它采用交流方波供电 所以也称为永磁无刷方波电机 它最大的优点是无刷 消除了电刷带来的许多问题 而且方波电流方波磁场相互作用可以产生更大的转矩 佛山照明沈大卫教授给的全称就是 永磁无刷方波力矩电机 3 永磁无刷同步电机 用永磁材料代替传统同步电机的励磁绕组 就能去掉传统的电刷 滑环和励磁绕组的铜损 由于采用正弦交流电及无刷结构 又叫永磁无刷交流电机 其优点是高能量密度和高效率 其恒功率区域有更宽的转速范围 并可以以矢量控制方法来满足电动汽车的高性能要求 如南车时代的电机 二 电机简介 车用电机的发展趋势如下 1 电机本体永磁化 永磁电机具有高转矩密度 高功率密度 高效率 高可靠性等优点 我国具有世界最为丰富的稀土资源 因此高性能永磁电机是我国车用驱动电机的重要发展方向 2 电机控制数字化 专用芯片及数字信号处理器的出现 促进了电机控制器的数字化 提高了电机系统的控制精度 有效减小了系统体积 3 电机系统集成化 通过机电集成 电机与发动机集成或电机与变速箱集成 和控制器集成 有利于减小驱动系统的重量和体积 可有效降低系统制造成本 二 电机简介 内容 一 电动车发展里程 二 电机简介 四 我国电机应用 三 电机匹配计算 三 电机匹配计算 设计目标 1 最高车速Vmax 60km h2 最大爬坡度imax 20 15km h 3 加速时间 20 0 50km h 4 一次充电续驶里程 65km 匀速60km h 整车参数 满载质量 kg 566空气阻力系数 0 35迎风面积 m2 2传动效率 0 922车轮滚动半径 m 145 70R12 60km 0 2465滚动阻力系数 60km 根据经验公式0 0121 整车参数 三 电机匹配计算 设计目标 1 最高车速Vmax 60km h2 最大爬坡度imax 20 15km h 3 加速时间 20 0 50km h 4 一次充电续驶里程 65km 匀速60km h 整车参数 满载质量 kg 566空气阻力系数 0 35迎风面积 m2 2传动效率 0 922车轮滚动半径 m 145 70R12 60km 0 2465滚动阻力系数 60km 根据经验公式0 0121 整车参数 三 电机匹配计算 电机参数 额定转速 r min 3000额定功率 kW 5最大转速 r min 4600最大功率 kW 11额定扭矩 N m 16最大扭矩 N m 50额定电压 V 72额定相电流 A 128峰值相电流 A 500减速比 6 三 电机匹配计算 三 电机匹配计算 蓄电池参数 电池类型 铅酸电池单块电池电压 72V单块电池容量 16Ah单块电池质量 10 5kg电池放电深度 0 8蓄电池的平均放电效率 q 0 95电池组标称电压 V 72电池组总容量 Kwh 5 76 三 电机匹配计算 动力性分析 三 电机匹配计算 三 电机匹配计算 三 电机匹配计算 三 电机匹配计算 三 电机匹配计算 续航里程计算 内容 一 电动车发展里程 二 电机简介 四 我国电机应用 三 电机匹配计算 四 我国电机应用 1 交流异步电机驱动系统我国已建立了具有自主知识产权异步电机驱动系统的开发平台 形成了小批量生产的开发 制造 试验及服务体系 产品性能基本满足整车需求 大功率异步电机系统已广泛应用于各类电动客车 通过示范运行和小规模市场化应用 产品可靠性得到了初步验证 2 开关磁阻电机驱动系统已形成优化设计和自主研发能力 通过合理设计电机结构 改进控制技术 产品性能基本满足整车需求 部分公司已具备年产2000套的生产能力 能满足小批量配套需求 目前部分产品已配套整车示范运行 效果良好 四 我国电机应用 3 无刷直流电机驱动系统国内企业通过合理设计及改进控制技术 有效提高了无刷直流电机产品性能 基本满足电动汽车需求 已初步具有机电一体化设计能力 4 永磁同步电机驱动系统已形成了一定的研发和生产能力 开发了不同系列产品 可应用于各类电动汽车 产品部分技术指标接近国际先进水平 但总体水平与国外仍有一定差距 基本具备永磁同步电机集成化设计能力 多数公司仍处于小规模试制生产 少数公司已投资建立车用驱动电机系统专用生产线 四 我国电机应用 5 永磁电机材料永磁电机的主要材料有钕铁硼磁钢 硅钢等 部分公司掌握了电机转子磁体先装配后充磁的整体充磁技术 国内研制的钕铁硼永磁体最高工作温度可达280 但技术水平仍与德国和日本有较大差距 硅钢是制造电机铁芯的重要磁性材料 其成本占电机本体的20 左右 其厚度对铁耗有较大影响 日本已生产出0 27mm硅钢片用于车用电机 我国仅开发出0 35mm硅钢片 6 电机控制器关键部件电机控制器用位置 转速传感器多为旋转变压器 目前基本采用进口产品 我国部分公司已具备旋转变压器的研发生产能力 但产品精度 可靠性与国外仍有差距 谢谢