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新能源汽车电机发展趋势及测试评价研究

发布时间:2019-07-11 13:49 点击:
新能源汽车作为节能环保的新产品,其研究和开发得到了重视,成为当前汽车产业未来发展的方向。我国政府一直都非常重视交通领域对能源和环境的影响,在“九五”、“十五”和“十一五”期间相继投资启动了与节能相关的新能源汽车建设项目。“十二五”“十三五”规划则将节能减排作为汽车行业的发展方向,建议新能源汽车的推广列入国家的重要计划。新能源汽车的大力发展可以缩小我国汽车工业与发达国家汽车工业之间的差距,并可带动我国汽车相关产业与技术的发展。

新能源汽车的快速发展为新能源汽车电机行业的发展提供了很好机遇,驱动电机及其控制系统作为其核心部件之一,发展前景广阔。

1 新能源汽车电机类型和选型分析

1.1 驱动电机的类型

新能源汽车的驱动电机主要包括:交流异步、永磁同步和开关磁阻电机。当前电机技术分类比较如表1所示,由此可知永磁同步电机综合量化得分最高,其效率和控制特性有较大优势,开关磁阻电机制造、成本优势较大。

1.2 新能源汽车驱动电机选型分析

直流电机系统具有成本低、控制简单等特点,是电动汽车最早采用的系统。随着电力、电子及自控技术等新技术的发展,交流异步电机、永磁同步电机和开关磁阻电机表现出比直流电机更为优越的性能,逐步取代了直流电机控制系统。

大多数新能源汽车电机采用永磁同步电机;一部分汽车公司采用交流异步电驱动系统。
表1 驱动电机基本性能比较
*为综合量化比较,未加权。
 
2 新能源汽车电机发展现状

目前新能源汽车电机主要以永磁电机和感应电机为主,本文将着重介绍这两种电机发展现状。

2.1 国外新能源汽车驱动电机的发展现状

感应电机的代表当属特斯拉Model S。特斯拉汽车Tesla Model S P85D所搭载三相感应电动机最大功率可达515 kW(700 Ps),转速范围为12 000~20 000 r/min,加上双电机四驱设计,在减速机配合下,可轻易产生930 N·m的扭矩,令P85D的百千米时速加速在3.4 s内便可完成。Model S前后置双电机配置依靠特斯拉优化过的算法,可以根据不同的行驶状况产生不同的动力交错输出,保持汽车的高效运行。助于优异的控制算法和高效的铸铜转子异步电机,特斯拉无论是动力还是在节能、续航方面都有很大优势,纯电动模式续航里程可达426 km。

永磁同步电机的代表为丰田Prius系列。丰田公司在1997年便研发出世界上第一款成熟的混合动力汽车—Prius,迄今为止已发展到第4代。第4代Prius电机采用了分段线圈式定子,转子磁路结构也做了改变,电机的峰值功率为53 kW,峰值转矩为163 N·m,最高转速更是达到17 000 r/min。从结构变化可以看出丰田对永磁同步电机设计研究逐渐深入,其转速及功率密度也不断提高,总的基调为增加直轴电感,增加凸极率。除Prius系列,丰田还研制了V一型转子结构的2008 Lexus LS600H,峰值功率为110 kW,峰值转矩为300 N·m,最高转速达到10 230 r/min,功率密度高达2.46 kW/kg。

奥迪混合动力汽车Q3驱动电机为永磁同步电机,其最大输出功率为32 kW,最高转速达到12 500 r/min。另一款Q5采用的永磁同步电机最大功率为40 kW(2 300 r/min),最高转矩为211 N·m,功率密度达到1.54 kW/kg。

宝马公司研发了宝马i3永磁同步电机。该电机充分发挥了内置式永磁同步电机的优势,电机总重约为42 kg,电机功率可达125 kW,扭矩可达250 N·m。

2.2 国内新能源汽车驱动电机的发展现状

借助于国家政策的支持与财政补贴,我国新能源车用电机得到了快速发展。国内很多高校、研究机构、汽车生产商相继投入到新能源汽车电机的研发中,并且取得了一定成果。
 
天津大学、天津清源公司研制的永磁同步电机及其控制系统的峰值功率为45 kW,最大转矩为99.5 N·m,系统最高效率为95%,功率密度为1.087 kW/kg。沈阳工业大学国家稀土永磁电机工程技术研究中心,研制出额定功率为20 kW,最大功率为40 kW,功率密度超过1.5 kW/kg的高功率密度永磁同步电机。江苏省交通科学研究院股份有限公司研制了100 kW电动汽车双绕组永磁同步电机,额定功率为100 kW,峰值功率为220 kW,额定扭矩为960 N·m,峰值扭矩为3 200 N·m,全转速全转矩范围具有两个高效运行区域,电机与驱动器总体效率不小于90%,高速与过载运行范围效率不小于80%。

上海电驱动EM1269/EC1262型号车用永磁同步电机性能指数如下:峰值功率为94 kW,额定功率为45 kW,峰值转矩为225 N·m,额定转矩为100 N·m,额定转速4 300 r/min,峰值转速为12 000 r/min。

精进电机研发的驱动电机额定功率为85 kW,峰值功率为135 kW,额定转矩为325 N·m,峰值转矩为600 N·m,额定转速为2 500 r/min,峰值转速为6 000 r/min。

蔚来es8采用前后双异步电机,综合最大功率为480 kW,综合最大扭矩为840 N·m,纯电最大续航里程达到355 km。

安徽巨一永磁同步电动机额定功率为45 kW、峰值功率为90 kW,额定扭矩为86 N·m,峰值扭矩为230 N·m,额定转速为5 000 r/min,最高转速为12 000 r/min。

比亚迪e6采用的永磁电机额定功率为75 kW,峰值功率为90 kW,电动机总扭矩为450 N·m,最高车速为140 km/h,单次充电续航里程在综合工况下最大可达300 km。

目前,虽然我国新能源汽车动力技术有了突飞猛进的发展,但在高端技术等方面,与国际先进水平还具有一定差距。

2.3 新能源汽车驱动电机的发展趋势

结合新能源汽车电机的研发现状,新能源汽车电机的发展趋势如下:
 
(1) 在广泛领域的高效率。汽车工况复杂,其电机需要在多个工作点运行,要实现新能源汽车高续航及节能要求,在广泛领域的高效率是重要的研究方向。

(2) 电机驱动系统的轻量化、小型化。电机作为驱动系统中重要的动力来源,电机驱动系统轻量化、小型化必然会使电机驱动系统集成化和一体化,在高性能电动汽车中,底盘系统、制动系统、电机传动系统已经实现一体化集成。

(3) 电机控制系统的数字化。高速高性能微处理器使得电驱动控制系统进入一个全数字化时代,在高性能高速的数字控制芯片的基础上,高性能的控制算法、复杂的控制理论得以实现,同时,使用面向用户的可视化编程,通过代码转化和下载直接进入微处理,将进一步提高编程效率和可调试性。

(4) 电机系统智能化。新能源汽车电机系统的数字化使机电一体化技术得到长足发展。目前国际上先进的电机系统已集成了诊断、保护、控制、通信等功能,可实现电机系统的自我诊断、自我保护、自我调速、远程控制等,电机系统智能化发展成为必然趋势。

3 新能源汽车驱动系统测试标准体系及评价

随着产业的蓬勃发展,行业对产品的性能评价体系逐步完善。目前,国内的新能源汽车准入要求中明确规定整车厂须具备动力系统、驱动系统、控制系统集成测试能力、电子电控测试系统功能测试能力。对于零部件厂商来说,测试开发能力也是重中之重。

3.1 新能源汽车驱动系统标准体系

目前主流新能源汽车驱动系统测试的标准体系如表2所示。

表2 国内新能源汽车驱动系统测试相关标准

3.2 新能源汽车驱动系统测试项目

GB/T 18488.1—2015《电动汽车用驱动电机系统 第1部分:技术条件》[1]和GB/T 18488.2—2015《电动汽车用驱动电机系统 第2部分:试验方法》[2]主要针对的测试对象为新能源汽车中核心“三电”系统中的“驱动系统”和“电机”。电动汽车用驱动系统测试项目分类如表3所示。

表3电动汽车用驱动系统测试项目分类

3.3 新能源汽车驱动系统测试设备及仪器
图 电动汽车驱动电机及控制器测试系统结构

用于构成电动汽车用驱动系统的测试设备包括:试验电源、负载电源、变频负载电机和测量仪器。电动汽车驱动电机及控制器测试系统结构如图5所示。

试验电源将输入的三相交流电转换为可为被试控制器供电的直流电;负载电源可使用交流变频电源,变频负载电机需要与被测汽车驱动电机的最高转速能够匹配,一般选用高速变频电机;测量系统由电参数测量仪、交直流电流传感器、转矩-转速传感器和上位机控制软件组成。在对汽车驱动电机及控制器的测量中,除了需要测量电机的三相交流输入电压、三相交流输入电流、输入功率、功率因数等,还需要测量驱动器的直流输出电压、直流输出电流和电机输出的转矩、转速信号等。为了保证测试结果的准确性,测量时各参数读数必须同时读取。故使用的电参数测量仪应具有电参数测量通道4组以上,转矩-转速测量通道1组。测试系统的仪表精度应达到表4给出的各项需求。

表4电动汽车用驱动系统测试项目分类

通过测试控制软件,不仅可以实现对试验电源、负载电源及变频负载电机进行远程控制,根据试验需求对被试驱动电机系统进行自动或半自动的加载控制,还能根据试验需求,将收集到被测驱动电机系统的试验参数进行保存和自动计算,将计算结果转化为MAP图。
 
4 结语

电动汽车作为一种区别于依赖传统石油提供动能的普通汽车,使用电能作为其驱动能源的现代交通工具,对解决日趋严重的资源危机与环境污染问题起到了重要作用。我国政府非常重视电动汽车的研发创新,出台了相关发展规划,提供了良好的政策环境,支持鼓励与引导电动汽车的发展。电机作为新能源汽车电驱动系统的核心部件将成为未来的研究热点。新能源汽车驱动电机的发展将是整个新能源汽车产业发展的重中之重,新能源汽车驱动电机的评价对电机行业的发展有着广泛和重要的引领意义。

 
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