纯电动车用电机的可行性分析

纯电动车用电机的可行性分析全球汽车工业孕育着一场重大技术革命。金融危机爆发后，以美国为代表的汽车生产大国，将发展电动汽车作为经济刺激计划的重要组成部分，加大了政府支持的力度，以期达到抢占国际竞争制高点、恢复经济增长、保障能源安全、应对气候变化的多重目标。可以预见，有政府的强力支持，将明显加速产业化的步伐，电动汽车将成为全球重要的新兴产业。我国从“十五”时期开始实施新能源汽车科技规划，“863”项目共投入20亿元研发经费，经过近十年的发展，我国电动汽车的研发取得明显进展。到2009年，我国已形成约1800项专利，并开发出了多款电动汽车样车。目前，共有48个型号的各类电动汽车获得机动车新产品公告，其中，比亚迪、奇瑞、长安等企业的插电式和油电混合动力汽车已具备上市销售的条件。电动汽车在我国正在进入快速发展新阶段。作为电动汽车“心脏”的驱动电机呈多样性发展，目前电动车辆使用的驱动电机有六种：串励有刷直流电机、有刷永磁直流电机、交流变频调速电机（异步电机）、开关磁阻电机、永磁同步变频调速电机和无刷直流电机。有刷直流串励电机：优点是启动转矩大、过载能力强，缺点是需要换碳刷、高速有环火、不适宜高速运行、效率低、体积大、防护能力差、能量回馈差，主要用在电动三轮车上。有刷永磁直流电机：优点是比有刷直流串励电机效率高，能量回馈好，启动转矩和过载能力一般，缺点是需要换碳刷、高速有环火、不适宜高速运行、效率适中、体积大、防护能力差，主要用在电动三轮车上。交流变频调速电机：优点是结构简单、电机本身可靠性高、质量较小、过载能力强；缺点是起动转矩小、起动电流大、效率较低、控制复杂，能量回馈性能差。目前美国倾向于采用交流变频调速电机。开关磁阻电机：优点是结构简单、可靠、成本较低、过载能力强，在低速时具有较大的转矩；缺点是低速振动大、噪声大、效率偏低，体积大、能量回馈差。目前德国、英国等大力开发开关磁阻电机。永磁同步变频调速电机：优点是具有较高的效率，能量回馈好，质量较小，缺点是成本较高，且有高温退磁、抗振性较差，有失步问题。无刷直流电机：优点是较高的效率，起动扭矩较大，能量回馈好，质量较小，缺点是成本较高，且有高温退磁、抗振性较差。无刷直流电机也是永磁同步电机的一种，永磁同步电机作为调速电动机使用，一般分为两种形式：一种为方波型永磁同步电机（习惯上也称无刷直流电机）；另一种为正弦波型永磁同步电机（即标准形式的永磁交流同步电机），永磁无刷直流电机的工作磁场是步进式旋转磁场，容易产生转矩脉动，同时伴有一定的噪声。永磁交流同步电机的工作磁场是均匀旋转磁场，因此转矩脉动量很小，运行噪声也很小。各种电机技术指标汇总（一）电性机能直流串激电机永磁直流电机直流并激电机交流异步电机开关磁阻电机永磁同步电机无刷直流电机起动性能5444545低速性能5444444运行效率3343455平均效率3344355能量密度2235455过载能力4445544再生能力3543255可靠性2225533制造成本4445544控制器成本5554444合计36363842424344国内外电动汽车电机使用具体情况（二）从附表（一）和（二）可以看出,目前电动汽车电机驱动系统中,主要采用交流变频调速电机、永磁同步电机和开关磁阻电机;这三种电机各有所长，通过匹配不同的控制系统都能较好的满足电动汽车驱动的要求。目前，电机驱动控制系统由电力电子逆变器向IGBT集成模块发展,传感器向集成智能传感器发展,在电机的控制方法方面,传统的控制方法是直流电机的励磁控制法与电枢电压控制法;开关磁阻电动机的角度位置控制、电流斩波控制以及电压控制;感应电机主要有V/F控制、转差频率控制、矢量控制和直接转矩控制等等。近几年来出现了许多先进的控制方法包括自适应控制、变研发单位电动车类型电机类型第一汽车集团公司美国电动车(亚洲)公司汕头国家电动汽车试验示范区混合动力轿车—CA718OAE直流电机天津清源电动车辆有限公司QY6720HEV混合动力客车交流电机东风电动车辆股份有限公司EQ6110HEV混合动力客车开关磁阻电机一汽集团解放牌CA6100SH8混合动力客车交流异步感应电机湘潭电机股份有限公司XD6120混合动力电动城市客车变频调速感应异步电动/发电机株洲时代集团公司TEG61120CK-HEV混合动力公交车三相交流异步电机日野汽车混合动力汽车(HIMR)三相交流电机丰田Coaster混合动力车丰田Prius交流感应电机永磁同步交流电动机三菱串联式Canter混合动力车交流感应电机本田InsightCivicHybridAccordHybrid薄型DC无刷电机通用Precept交流电机戴姆勒-克赖斯勒ESX3直流永磁无刷电机结构控制、模糊控制和神经网络控制、闭环控制、鲁棒控制、滑模控制、专家系统、模型参考自适应控制、非耦合控制、交叉耦合控制以及协调控制等都适用于电机驱动。目前电动车辆的技术难点在于电池性能，因此，电动车辆用驱动电机的研发主要集中以下两点：一是在电池技术难以逾越的瓶颈下，如何提高电能使用效率、提高电动汽车续驶里程，提高电池寿命是电动汽车行业关注的焦点，因此选用符合电池特性的驱动电机是提高电动车辆性能的关键，即所选电机要效率高、使用电流小、启动电流小，避免电池瞬间大电流放电，电机能量回馈性能好。二是受电池的制约，电动车辆主要用于城市交通，车辆大部分时间处于启动、加速、制动的工作状态，因此电机的起动性能（起动转矩/起动电流）、加速性能、低速时的效率、制动及滑行时的能量再生能力、电机的过载能力、电机的能量密度、电机可靠性对电动车辆尤为重要，是衡量电动车辆驱动电机的重要指标。基于以上两点，理想的电动车辆驱动电机必须既要符合电池充放电特性，又要符合车辆的负载特性。综上所述，我认为最适合的电动汽车驱动电机应该是永磁同步电机，其优点是：①电机外特性好，非常符合电动车辆的负载特性，尤其是电机具有可贵的低速大转矩特性，能够提供大的起动转矩，满足车辆的加速要求。②速度范围宽，电机可以在低、中、高大速度范围内运行，而有刷电机由于受机械换向的影响，电机只能在中低速下运行。③电机效率高，尤其是在轻载车况下，电机仍能保持较高的效率，这对珍贵的电池能量是很重要的。④过载能力强，这种电机比Y系列电动机可提高过载能力2倍以上，满足车辆的突起堵转需要。⑤再生制动效果好，因电机转子具有很高的永久磁场，在汽车下坡或制动时电机可完全进入发电机状态，给电池充电，同时起到电制动作用，减轻机械刹车负担。⑥电机体积小、重量轻、比功率大、可有效地减轻重量、节省空间。⑦电机无机械换向器，采用全封闭式结构，防止尘土进入电机内部，可靠性高。⑧电机控制系统比异步电机简单。我公司于2007年开始稀土永磁电机的研发和生产，有较丰富的稀土永磁电机设计和生产经验以及检测手段；与国内知名的钕铁硼强磁生产企业宁波韵升、科田磁业等合作，已开发出径向冲磁和切向冲磁等不同形式稀土永磁转子十几个规格。因此，我公司开发生产电动汽车驱动用永磁同步电机具备很好的软、硬件条件。2010-2-23附件：稀土永磁转子稀土永磁发电机开关磁阻电机交流变频调速电机永磁无刷直流电机美国通用开发的汽车用驱动电机（将于2012年量产）