纯电动汽车驱动电机匹配研究现状

纯电动汽车驱动电机匹配研究现状前言2009年IPCC（政府间气候变化专门委员会）评估报告指出：气候异常以及因地球变暖而出现的生态改变等事实要求各国在能源需求结构上必须尽早进行模式转换，主动转向可再生能源。环境污染与能源短缺问题是21世纪全球共同面对的重大课题，传统内燃机汽车的燃料不可持续性、高污染等问题越来越受到人们的重视。根据BP（英国石油集团公司）报告，全球每日石油消耗量在2020年将达到9300万桶。2007年全球每天石油消费过半（57%）用于交通领域。据IEA（国际能源机构）的统计数据显示，预计到2020年交通用燃料占全球石油总消耗的62%以上。因此，对于车辆用新能源的探索和开发日益迫切，各国纷纷开始思考汽车业的发展方向。目前，中国的人口、资源、环境已经出现瓶颈，持续发展理念与新能源的利用已经提到政府的发展日程上。汽车节能是一个重要课题，提高汽车能量效率，减少汽车尾气有害物质排放，使用新能源，最终达到保护环境的目的已成为国际上的通行做法，也是我国现阶段发展汽车工业的目标。基于以上前提，构建绿色交通体系，纯电动汽车必将成为一种趋势和潮流。纯电动汽车完全以动力电池为动力源，而电池充电可以有多种来源途径，可以做到零排放，无污染。但是电动汽车续驶里程制约了电动汽车的普及和发展。因此，对动力传动系统参数进行合理设计和匹配，已成为电动汽车研究热点之一。目前，在动力电池和其他技术取得有效突破之前，对电动汽车动力传动系部件的设计参数进行研究是提高电动汽车性能的重要手段之一。电动汽车的能量供给和消耗，与蓄电池的性能密切相关，而驱动电机直接影响电动汽车的动力性，传动系统设计的关键是确定合理的传动比。这些动力传动系统参数均是影响电动汽车动力性和经济性的因素。电动机自身性能的好坏将直接影响电动汽车的最高车速、加速性能、爬坡性能及续驶里程等,因此初步确定电动机类型及其参数进而对电动机进行选择是整车开发之前至关重要的工作。1.纯电动汽车驱动电机发展现状1.1电动汽车驱动电机类型及其性能比较电动汽车驱动电机类型:[1]电动汽车几种常用驱动电机的性能比较：(1)直流电机是结构最简单的一种电机。直流电机控制方法容易实现，利用电压进行控制，具有交流电机不可比拟的电磁转矩控制特性。但是直流电机有无法克服的缺点：直流电机有电刷，因此需要经常维护；同时直流电机的质量重和体积大，大功率直流电机造价高等等。这些缺点制约了直流电机在现代电动汽车上的应用,目前直流电机逐步被其他电机替代。[2](2)交流异步电机也是较成熟的一种电机，它采用V/F控制、矢量控制、直接转矩控制等控制方法，技术成熟，同时感应电机结构简单、价格低、具有较高的能量密度，并且在运行过程中转矩脉动小，调速范围大，但感应电机耗电量大、转子易发热，控制系统复杂，同时电机的参数变化对控制性能有较大影响。美国、欧洲研制的电动汽车多采用感应电机作为驱动电机。[3](3)开关磁阻电机是一种新型的电机，它结构简单、控制技术易于实现，可靠性高，效率高，成本较低，质量轻，便于维修，同时效率可达到85％～93％，转速可达到15000r/min以上。但同时它的缺点也是不可忽视的，开关磁阻电机的运行噪声大，转矩脉动严重。因此，开关磁阻电机基本停留在应用研究阶段，实际应用较少。[4][5](4)永磁同步电机是当前电动汽车驱动电机研究的热点。永磁同步电机具有体积小、质量轻、功率密度大等优点，同时它的低速输出转矩大、效率高、维护方便，因此作为电动汽车驱动电机的优势明显。当前需要克服的缺点和问题是永磁体的退磁，受永磁材料工艺的限制和影响，使得永磁无刷电机的功率范围较小，由于电机永久性磁场的存在，使恒功率范围时电机的控制较为困难。当前的主要研究方向是无位置传感器控制、转矩脉动抑制和新型控制策略等。日本和欧洲各国大都采用永磁同步电机作为电动汽车驱动电机。[6]如在上文比较分析了几种电机性能之后，我们总结四种电机的优劣比较情况。可以看出，永磁同步电机总体评价最高。在实际的应用中，交流异步电机成本低、性能稳定、可靠性高、控制方法灵活、综合性能较好，应用更为广泛。电动汽车常用驱动电机性能比较综述：电动汽车常用的交流电机主要有异步、永磁、开关磁阻三大类，其特点如表所示。表2电动汽车常用电机主要参数比较[3][7]直流有刷电机交流异步电机永磁同步电机开关磁阻电机功率密度差一般好一般转矩转速特性一般好好好峰值效率/%85～8990～95﹥90﹤90负荷效率/%80～8785～92﹥8578～86转速范围4000～60009000～150004000～15000﹥15000易操作性最好好好好可靠性差好一般好结构的坚固性差好一般好尺寸大一般小小质量重一般轻轻成本高低高低于感应电机控制器成本低高高一般其中，异步电机主要应用在纯电动汽车（包括轿车及客车）中，永磁同步电机主要应用在混合动力汽车（包括轿车及客车）中，开关磁阻电机目前主要应用在客车中。1.2纯电动汽车驱动电机的不足和发展趋势目前车用驱动电机系统尚需提高的地方：[7]⑴全运行范围内的转矩、转速控制精度，效率最优化；⑵系统可靠性及耐久性尚未得到充分验证，和汽车行业的严格要求还有一定差距；⑶动力总成装置的集成度不高，机电一体化程度不够；⑷关键材料（如高性能的硅钢片，绝缘材料）和关键元器件（如IGBT模块，CPU芯片）仍然依靠进口，限制了选择余地和成本降低；⑸尚未形成完整的、满足汽车工业标准的供应商体系。虽然具备了小批量供货能力，但商品尚未通过TS16949质量体系认证。电动汽车电机驱动系统的发展趋势：[7][8]1.驱动电机本体永磁化。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.驱动电机高速化，回馈制动范围宽广高效化。3.驱动电机控制数字化；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。4.驱动电机系统集成化，并支持整车产品的系列化和生产的规模化；5.国内将出现独立的新型汽车电气驱动系统提供商，支持电动汽车及传统汽车产业。1.3电动汽车驱动电机选型电动汽车对驱动电机系统有以下五个方面的基本要求：[8]1.额定转速以下输出大转矩，以适应车辆的启动、加速、负荷爬坡和频繁起停等复杂工况，即恒转矩运行；2.额定转速以上为恒功率运行，以适应最高车速和超车等要求；3.全速运行范围内的效率最优化，以提高车辆的续驶里程；4.结构坚固、体积小、重量轻、良好的环境适应性和高可靠性；5.低成本及大批量生产能力。选择一台电动汽车驱动用电机,主要应考虑驱动电机的如下一些参数:[9]电机的转矩/转速特性、效率、电动机的调速和控制特性、成本、功率密度、结构强度、对工作环境的适应度及维护等。驱动电机的性能直接决定驱动系统性能。在电动汽车中，驱动电机的选型原则为：[10](1)高性能、低自重、小尺寸；(2)在较宽的转速范围内有较高的效率；(3)电磁辐射尽量小；(4)成本低。另外，驱动电机的选用还要综合考虑其控制系统的特点，能实现双向控制，回馈制动再生能量。从发展趋势看，传统的直流电机将失去竞争力，开关磁阻电机和永磁混合电机在电动汽车上的应用有发展潜力。2.驱动电机匹配研究现状长安大学成振坤等纯电动城市客车动力系统匹配设计及试验[11]长安大学成振坤等，通过理论分析，主要依据汽车功率平衡方程式，分别考虑了汽车在最大爬坡度、最高车速、最大加速度行驶工况下需求的功率；利用行汽车行驶方程转化得出考虑加速爬坡的转矩平衡式。基于此，系统地提出了电动城市客车各动力总成参数的设计原则。对整车系统进行了设计，完成了纯电动城市客车的整车匹配。在长安大学汽车试验场进行了实车试验，试验结果表明所设计的纯电动城市客车的动力性和经济性（续驶里程）均达到了设计要求，验证了匹配参数选取的合理性。同济大学宋珂纯电动和串联式混合动力汽车电机传动系参数匹配[12]同济大学的宋珂，对电动汽车以满足加速性能要求，求取电机功率的方法进行理论与数值分析。理论与数值分析结果表明，车速与加速时间关系更接近三次幂函数关系。通过数值方法能较准确地求取满足加速性要求所需电机峰值功率。车用驱动电机选择较大的扩大恒功率区系数，选用峰值功率较小的电机，就能够满足电动汽车动力性能要求。而对于功率一定的电机，较大的扩大恒功率区系数可获得更好的加速性能，恒转矩区能获得更大的峰值转矩。选用高速电机，增大电机最高转速，可以在不过分增大电机输出轴转矩的前提下获得较大的扩大恒功率区系数。最后给出在传动减速比已知和未知两种情况下，一般纯电动和串联式混合动力汽车车用驱动电机参数匹配的正向设计流程与方法。通过实例验证了所提出的流程和方法切实可行，对该型电动汽车的开发具有一定的指导意义。法国的本杰明Electricvehiclepowersystems:designapproachbasedonmodelingandsimulation[13]基于建模与仿真的电动汽车动力系统设计法国的本杰明介绍了一种基于两种不同建模水平的动力系统的设计方法。一是依据功率和能源要求估计功率大小的宏观建模。然后建立一个带有帮助功能的半自动模式微观模型，并通过仿真模型来验证宏观模型。该方法基于一个专门的工业软件平台的开发。宏观模型，这种模式的主要目的是定义系统源头的能量和功率参数。如果使用超过一个能量源则给出能量管理规则的一般思路。目前所有的流程和算法是不完全确定的，所以本课题的V模型和MOF技术是不完善的。这个概念的基本环境已经建立并将完成进一步的发展。下一步是要尽量减少转换步骤中模板的影响。它最有意义的是提出了一种可能，为动力系统匹配适合电机。吉林大学赵立峰等纯电动大客车动力传动系统的研究[14]吉林大学赵立峰等针对城市客车低速、频繁停车和起动等典型运行工况，把车辆行驶速度和驱动力分布换算为电机运行的转速和转矩，并映射到电机机械特性图上，使运行工况点在电机特性图上的分布更多处于高效率区，提高车辆在典型工况下的经济性。提出动力传动系统中采用手动离合器和3挡变速器，来提高大型电动客车能量经济性、减轻动力冲击。进行仿真测试，仿真和测试结果表明，通过动力传动系统特性匹配，所采用的动力传动系统在城市运行工况下，满足整车爬坡、高速和起动等动力要求，同时兼顾整车能耗的经济性。长安大学包建超基于ADVISOR仿真的纯电动汽车动力系统匹配研究[15]长安大学包建超，进行理论分析计算，完成动力系统的参数匹配。利用ADVISOR软件对纯电动轿车的动力性能进行仿真,求其最高车速、加速时间和最大爬坡度。选择UDDS作为仿真道路的循环工况，进行仿真。电动汽车最大车速为72.5km/h,0～30km/h加速时间6.5s，15%的爬坡度时车速可达到13km/h，最大爬坡度为30.6678%。同仿真结果相比较,包建超所选的纯电动汽车的最大车速、加速性能、爬坡性能非常满足设计要求,说明整车匹配方案是合理的,包建超所选电机能够确保整车动力性能达到设计的要求。上海第二工业大学王小刚等MotorDriveSystemDesignforElectricVehicle[16]DESIGNOFPERMANENTMAGNETSYNCHRONOUSMOTORDRIVESYSTEM永磁同步电机驱动系统的设计永磁同步电机应该由逆变器的最大输出电流，最大输出电压限制。使用不同的电流、电压矢量轨迹，以实现弱磁高速和最优控制。王小刚以电动汽车电机驱动系统设计为例，从拓扑控制、功率需求预测、电机驱动系统设计、组件参数选择，阐述了电动汽车电机驱动系统的设计过程和关键技术。它可以为电动汽车电机驱动系统的设计提供参考。辽宁工业大学王天利等基于MAP图的微型电动汽车驱动电机匹配研究[17]驱动电机MAP图，即为电机的转矩——转速特性曲线。辽宁工业大学王天利等给出某款车的整车参数和三款驱动电机的MAP图，根据表整车参数和MAP图，分别对三款驱动电机做加速时间、最高车速、最大爬坡度的动力性仿真，对仿真结果进行分析。基于以上研究，进行驱动电机初选及传动比调整。以传统匹配方法为基础，结合MAP图分析，可以实现驱动电机的优选；在选定驱动电机