新能源电机vs工业电机
整体而言,电动汽车电机和工业电机都是是电机的一种,分类及控制的理论和方法相同。而与电机的工业应用不同的是,用于电动汽车的电机通常要求频繁起停,快速动态响应,低速恒转矩运行且过载能力强,转速变化范围宽,可以四象限运行,在充分满足汽车运行功能的还应满足行驶时的舒适性,适应环境的能力等。
电动汽车电机所用驱动器相比于工业用电机的驱动器来说,在尺寸、工作环境、可靠性、功率密度、冷却方式等方面有较大差异,对电动汽车电机驱动技术的基本要求如下:
1.严格的体积要求和重量要求:因为是车载,这方面要求突出。普通工业电机对于体积尺寸和重量没有这么严格的要求,一般以满足工业目标为第一目的。电动汽车不同,尺寸和重量决定了汽车的动力性能和驾驶体验,直接影响产品的质量。电动汽车电机的难点就在于提高功率重量密度和功率体积密度。越小,越轻,功率越大的电机,越好。
2.独特的转矩特性:启动或低速时要求超高转矩,将汽车速度以Zui快的方式泵升至期望速度。一般工业电机并没有这么高的启动速度要求。高速时需要提供足够的功率,使得汽车可以高速巡航。
3.宽调速范围:Zui高速度可能是电机基速的4倍甚至更高。目前电动汽车zuihao的方案莫过于省去多档变速箱,只使用固定档的齿轮组。如此,则要求电机的调速范围越宽越好。以特斯拉的ModelS 基本款为例,电机Zui高RPM能达到18000转/分钟,相当可怕。这对于电力电子调速器来说是一个非常大的考验。
4.全范围效率要求:电动汽车不像电力机车由受电弓供电,电动汽车由电池供电,巡航范围完全取决于电机效率。电机效率每提高1%,巡航里程就可相应增加1%。对于电机的效率要求很高。能高一点,就是胜利,每一点能量都要优化。
5.车辆运行环境中的高可靠性和稳定性:任何情况下都应确保具有高度的安全性,尤其是失效模式下可控。
6.低噪声:包括电磁噪声和音频噪声,满足车辆电磁兼容性和驾驶舒适性需要。
7.合理的成本:对电动汽车的普及来说成本始终是一大障碍。
评价一个电机驱动系统的指标主要有外特性(Zui大输出转矩与转速关系)、恒功率调速范围、驱动系统效率分布图(非某一点效率,也不是单独的电机本体或控制器的效率)、驱动系统功率密度与转矩密度等。
▼ 下面的图片清楚的指出了汽车电机和工业电机的相关区别:
各类新能源电机优劣对比
驱动电机作为新能源汽车三大主要零件之一,如果说电池系统是电动汽车的血液,电控系统是电动汽车的大脑,那么电机系统是电动汽车的心脏。在新能源汽车中使用电动机取代发动机并在电机控制器的控制下,将电能转换为机械能来驱动汽车行驶,是纯电动汽车的唯一驱动装置。
各有所需 适者生存
现阶段电机的分类,主要有直流、交流感应、永磁同步和开关磁阻四种,目前,永磁同步由于其较优的性能,是主流的电机类型。交流异步电机的价格适中,但性能稍差,在美国及中国有部分厂商使用。而开关磁阻电机的主要优势在于其较低的价格,但也存在着杂音和震动的技术问题,如果这些问题能够解决的话,开关磁阻电机将具备很大的市场。现阶段适合新能源汽车的驱动电机主要有永磁同步、交流异步和开关磁阻三大类。因其不同特点,各有应用场合。
永磁同步电机体积小、质量轻,功率密度大,可靠性高,调速精度高,响应速度快;但Zui大功率较低,且成本较高。由于永磁同步电机具有Zui高的功率密度,其工作效率Zui高可达97%,能够为车辆输出Zui大的动力及加速度,主要用在对能量体积比要求Zui高的新能源乘用车上。交流异步电机价格低、运行可靠;但其功率密度低、控制复杂、调速范围小是固有限制。 价格优势使得其在新能源客车中使用的较广泛。开关磁阻电机价格低、电路简单可靠、调速范围宽;但震动、噪声大,控制系统复杂,且对直流电源会产生很大的脉冲电流,用于大型客车。
新能源汽车驱动电机向着:小型轻量化;高效性;更出色的转矩特性;使用寿命长,可靠性高;噪声低;价格低廉的目标发展。
永磁同步电机成主流趋势
目前,永磁同步电机在我国新能源汽车中的使用占比超过90%,交流异步电机主要是以特斯拉为首的美国车企和部分欧洲企业使用。一方面,这与特斯拉Zui初的技术路径选择有关,交流感应电机价格低廉,而偏大的体积对美式车并无挂碍;另一方面,美国高速路网发达,交流电机的高速区间效率性能上佳。包括中国、日本在内的其他国家新能源汽车电机Zui广泛使用的仍是永磁同步电机。适合本国路况是主要因素,永磁同步电机在反复启停、加减速时仍能保持较高效率,对高速路网受限的工况是zuijia选择。我国稀土储量丰富,日本稀土永磁产业有配套基础也是重要因素。日本的丰田、本田、日产等汽车公司基本上都采用永磁同步电机驱动系统,如丰田公司的Prius,本田公司的CIVIC。因为在日本,供应永磁电机使用的稀土磁铁的公司比较多,汽车大多以中低速行驶,采用加减速时效率较高的永磁同步电动机较为适宜。日本在发展混合动力汽车方面居shijielingxian地位,其中以丰田普锐斯Zui为zhuming。综合来看,新能源汽车电机技术要求较高,永磁同步电机Zui具优势。驱动电机是新能源汽车的三大核心部件之一,相比传统工业电机,新能源汽车驱动电机有更高的技术要求。从综合性能来看,永磁同步电机Zui具优势,更能代表新能源汽车驱动电机的发展方向。由于中国稀土储量极大丰富,电机工艺已经接近世界先进水平,预计永磁电机将在较长时间内占据中国新能源汽车的电机市场。
电机发展技术趋势
永磁同步电机对比感应电机,它们各自都具有明显的优势。目前纯电动车的续航里程势必是一项及其重要的指标,永磁同步电机的高效率能更好地提高续航里程。高耐热性、高磁性能钕铁硼永磁体的成功开发以及电力电子元件的发展和改进,使稀土永磁同步电机的发展完善。但就现在的发展趋势看,永磁同步电机似乎前景更好。
随着新能源汽车驱动技术的快速发展,许多新结构或新概念电机已经投入研究。其中新型永磁无刷电机是目前Zui有前景的电机之一,包括混合励磁型、轮毂型、双定子型、记忆型以及磁性齿轮复合型等。非晶电机也开始走进新能源汽车领域,作为新一代高性能电机,其自身的优越性必将对新能源汽车产业的发展起到巨大的推动作用。