电机系统的总体结构原理

知识点二、EV电机系统的总体结构原理

EV电机系统主要由驱动电机及其管理、控制装置组成,图2-44为比亚迪e6驱动电机及其控制器。

图2-44　驱动电机及其控制器

a)驱动电机;b)控制器

驱动电机是EV的唯一驱动装置,是EV的心脏,其重要性相当于传统汽车的内燃机。驱动电机有外转子式和内转子两大类。

外转子式采用低速外转子电机(图2-45),电机的最高转速在1000～1500r/min,无减速装置,车轮的速度与电机相同。采用低速外转子速度电机,则可以完全去掉变速装置,外转子就安装在车轮轮缘上,而且电机转速和车轮转速相等,因而就不需要减速装置。

图2-45　外转子轮毂电机

内转子式(图2-46)则采用高速内转子电机,配备固定传动比的行星减速器,也称轮边减速器,为获得较高的功率密度,电机的转速可高达10000 r/min。所选用的行星齿轮变速机构的速度比为10∶1,而车轮的转速范围则降为0～1000 r/min。随着更为紧凑的行星齿轮减速器的出现,内转子式轮毂电机在功率密度方面比低速外转子式更具竞争力。如图2-46所示为通用开发的为150 t的重型货车的高速内转子轮毂电机。

对于电动汽车,如果采用双电机或四个电机驱动,由于每个电机的转速可以有效地独立调节控制,实现电子差速,在这种情况下,电动汽车可以不用机械差速器和减速器。电子差速器比机械差速器体积小,质量轻,在汽车转弯时可以实现精确的电子控制,提高电动汽车的性能。

由于EV电驱动特性的多样性,纯电动汽车有多种动力系统架构,图2-46为常见的几种EV结构形式。

图2-47a电机、固定速比的变速器和差速器一起构成了纯电动汽车动力系统。该动力系统结构利用电机低速阶段恒转矩和大范围转速变化中所具有的恒功率特性,采用固定速比的减速器替换多速比的减速器,可以取消离合器,减小机械传动装置的体积和质量,简化驱动系统控制;但该系统结构的缺点是无法对变工况下电机工作效率进行优化,同时为满足车辆加速/爬坡和高速工况要求,通常需要选择较大功率的电机。

图2-47b中,电机替代了传统内燃机汽车中的内燃机,并与离合器、变速器及差速器一起,构成了类似传统汽车动力驱动系统。电机替代内燃机输出驱动动力,通过离合器可以实现电机驱动力与驱动轮的断开或连接,变速器还提供不同的传动比,以变更转速－功率(转矩)曲线匹配载荷的需要,差速器是实现转弯时车辆两侧车轮以不同转速驱动。

图2-47c中,电机、固定速比的减速器和差速器进一步集成甚至可组合成单个部件,与车轮相连的半轴直接与该组合相连,驱动系统进一步简化和小型化,在目前的EV中是最为常见的一种驱动形式。

图2-46　内转子轮毂电机

图2-47　EV结构形式

a)无离合器单挡驱动;b)传统驱动;c)传动装置与差速器集成固定档驱动d)双电机带轴固定档驱动;e)双电机固定档直接驱动;f)双轮毂电机驱动C—离合器;D—差速器;FG—固定速比减速器;GB—变速器;M—电机

图2-47d,机械差速器被取消,驱动车辆是靠两个电机通过固定速比减速器驱动各自侧的车轮,在车辆转弯时,靠电子差速器控制电机以不同的转速运转,从而实现车辆正常转弯。

图2-47e中,驱动电机和固定速比的行星齿轮减速器被安装在车轮中,可以进一步简化驱动系统。行星齿轮减速的主要作用是降低电机转速并增大电机的转矩。

图2-47f中,完全舍弃了电机和驱动轮之间的机械连接装置,用电机直接驱动车轮,电机的转速控制等价于轮速控制。这样的驱动系统结构对电机提出了特殊要求,如车辆在加速或减速时要具有高转矩特性,这样的电机一般选用低速外转子式电机。

还有一种特殊的EV动力驱动结构——双电机四轮驱动系统,如图2-48所示。前轮和后轮都是由电机通过差速器来驱动,在不同工况下可以使用不同的电机驱动车辆,或是按照一定的转矩分配比例联合使用两个电机共同驱动车辆,从而使得驱动系统效率最大。

图2-48　双电机四轮驱动系统

D—差速器;FG—固定速比减速器;M—电机;VCU—整车控制单元

EV所采用的驱动电机种类繁多,如图2-49所示,目前主要有直流电机、感应式交流电机、永磁电机、开关磁阻电机等,它们的主要性能见表2-9。

图2-49　驱动电机种类

表2-9　电机的基本性能比较

1.电机的主要性能参数

EV驱动电机的主要参数有电机类型、额定功率、额定电压、额定电流、额定效率、机械特性、效率、尺寸参数、质量参数、可靠性和成本等。

1)额定功率。是指电机在制造厂所规定的额定情况下运行时,其输出端的机械功率,单位一般为k W。

2)额定电压。是指电机额定运行时,外加于定子绕组上的线电压,单位为V。一般规定电机的工作电压不应高于或低于额定值的5%。当工作电压高于额定值时,电机容易发热;当工作电压低于额定值时,引起输出转矩减小,转速下降,电流增加,也使绕组过热。

3)额定电流。是指电机在额定电压和额定输出功率时,定子绕组的线电流,单位为安(A)。

4)额定频率。我国电力网的频率为50 Hz,因此除外销产品外,国内用的电机的额定频率为50Hz。

5)额定转速。是指电机在额定电压、额定频率下,输出端有额定功率输出时,转子的转速,单位为转/分(r/min)。电动汽车所采用的感应电机的转速一般为8000～12000r/min。

6)额定效率。是指电机在额定情况下运行时的效率,额定输出功率与额定输入功率的比值。电机在其他工况运行的最大效率为峰值效率,整体效率越高越好。电动汽车还要求在车辆减速和制动时,实现能量回收,再生制动回收的能量一般可达到总能量的10%～15%。

7)额定功率因数。对于交流电机,定子相电流比相电压滞后一个角,cosφ就是异步电机的功率因数。三相异步电机的功率因数较低,在额定负载时约为0.7～0.9之间,而在轻载和空载时更低,空载时只有0.2～0.3。因此,必须正确选择电机的容量,防止“大马拉小车”,并力求缩短空载的时间。

8)绝缘等级。它是按电机绕组所用的绝缘材料在使用时容许的极限温度来分级的。所谓极限温度,是指电机绝缘结构中最热点的最高容许温度,其技术数据见表2-10。

表2-10　电机绝缘等级

9)功率密度。单位质量电机输出的功率,单位是k W/kg,功率密度越大越好。

10)过载能力。电机的实际使用载荷(功率、转矩、电流等)超过电机的额定值的现象称为电机过载。电动汽车电动机应具有较大的起动转矩和较大的调速性能,可以使汽车有良好的起动性能和加速性能,以获得所需要的起动、加速、行驶、减速、制动等的功率与转矩。

11)其他指标。除了上面所述的这些以外,电机还要求可靠性好,耐温和耐潮性能强,运行时噪声低,振动小,能够在较恶劣的环境下长时期工作,结构简单,适合大批量生产,使用维修方便,价格便宜等。

2.电机的基本结构与工作原理

电机是将机械能转换为电能或将电能转换为机械能的一种装置。把机械能转换为电能的称为发电机,把电能转换为机械能的称为电动机。在一定条件和控制下,两者可以互相转换,如EV在减速和制动时的能量回收,就是将电动机变成发电机向动力电池充电。

以单匝电枢线圈的直流电机为例说明其基本结构(1－50a所示)工作原理。将通电线圈置于磁场中,直流电通过电刷和换向器铜片引入。当电流从A电刷经到B电刷时(1－50b所示),根据左手定则判定,匝边和受到的磁场力方向如图2-50a所示,这个电磁力将形成力矩,使线圈逆时针转动;当线圈转到换向片A与负电刷接触,换向片B与正电刷接触时,如图2-50c所示,电流方向改变为,同时匝边和的位置也改变,电磁转矩的方向保持不变,使线圈继续逆时针旋转。

图2-50　直流电机工作原理

a)电机原理;b)电流从A→B;c)电流从B→A

直流电动机的电磁转矩可用下式表示

式中 K t——电机结构常数,

P——磁极对数;

N——电枢导线总根数;

α——电枢绕组的并联支路对数;

φ——磁极磁通;

I a——电枢电流。

由上分析可知,直流电机能通过增加磁极对数、增多电枢导线总根数和并联支路对数、增大电枢和励磁电流来增大电磁转矩。实际的直流电机电枢都用多匝并联绕成,电枢电流和励磁电流也很大,使起动机有足够转矩驱动汽车行驶。