新能源汽车3电动汽车动力驱动系统

新能源汽车技术1、熟悉电动汽车电机驱动系统的组成、功能及种类2、掌握电动汽车对电动机的要求3、掌握异步电动机、永磁同步电动机、开关磁阻电动机、轮毂电动机的结构和工作原理4、熟悉电动机模块的常见故障及排除方法第三章电动汽车电机驱动系统本章目标1第三章电动汽车电机驱动系统三相异步交流电动机概述直流电动机永磁同步电动机1234开关磁阻电动机5轮毂电动机6电动机模块常见故障及排除方法721.1电动汽车电机驱动系统的组成及功能电动机驱动系统的组成框图电机驱动系统是新能源汽车车辆行驶中的主要执行结构，其驱动特性决定了汽车行驶的主要性能指标。第一节概述31.2电动汽车对电动机的要求要求•在恒转矩区，要求低速运行时具有大转矩；在恒功率区，要求低转矩时具有高的速度。•具有瞬时功率大、带负载启动性能好、过载能力强、加速性能好、使用寿命长的特点。•应能够在汽车减速时实现再生制动，将能量回收并反馈给蓄电池要求•具有很高的效率•应可靠性好•应体积小、质量轻要求•结构要简单坚固•应价格便宜•运行时应噪声低，减少污染41.3电动汽车驱动电动机的种类现代电动汽车所采用的各种电动机5第三章电动汽车电机驱动系统三相异步交流电动机概述直流电动机永磁同步电动机1234开关磁阻电动机5轮毂电动机6电动机模块常见故障及排除方法762.1直流电动机的分类他励电动机并励电动机串励直流电动机复励电动机励磁电流是由独立的直流电源供给，仅取决于励磁电源的电压和励磁回路的电阻，与电枢端电压无关。励磁绕组与电枢绕组并联，励磁电流与励磁回路的电阻有关，还受电枢端电压的影响。励磁绕组与电枢绕组串联。磁极上有两个励磁绕组，一个与电枢绕组并联，另一个与电枢绕组串联。直流电动机绕组励磁式直流电动机大功率电动机永磁式直流电动机小功率电动机按照励磁方式分类第二节直流电动机71—风扇；2—机座；3—电枢；4—主磁极；5—电刷架；6—换向器；7—接线板；8—出线盒；9—换向磁极；10—端盖2.2直流电动机的构造定子和转子之间的间隙称为气隙。直流电动机定子部分机座主磁极换相极电枢装置端盖转子部分电枢铁芯电枢绕组换向器8直流电动机的工作原理2.3直流电动机的工作原理通过电刷与换向器，使得处于N极下的线圈边内的电流总是从电刷向线圈流入，而处于S极下的线圈边内的电流总是从线圈向电刷流出，从而使线圈总是获得逆时针转动的转矩，而保持转动方向不变。92.4电动汽车用直流电动机1）直流电动机的驱动特性恒转矩区N＞nb在高速恒功率区，电枢电压不变，改变励磁电流或弱磁来控制转矩。恒功率区N＜nb励磁电流保持不变，改变电枢电压来控制转矩。102.4电动汽车用直流电动机2）直流电动机的特点调速性能好直流电动机的特点1234启动转矩大控制简单有易损件112.4电动汽车用直流电动机3）电动汽车用直流电动机的要求抗振动性对环境的适应性低损耗性抗负荷波动性小型、轻量化免维护性122.4电动汽车用直流电动机4）直流电动机的应用电动汽车用直流电动机主要是他励式直流电动机（包括永磁直流电动机）、串励式直流电动机、复励式直流电动机三种类型。应用功率应用直流电动机类型具体应用小功率（小于10kW）小型高效的永磁式直流电动机电动自行车、高尔夫球车、电动叉车、警用巡逻车中等功率（10～100kW）他励、串励或复励式直流电动机结构简单、转矩较大的电动货车大功率（大于100kW）串励式直流电动机要求低速、高转矩的大型专用电动汽车上，如电动矿石搬运车、电动玻璃搬运车等。132.5直流电动机的调速方法aaeURInC转矩公式调速方法电枢回路串电阻（改变电枢回路总电阻Ra）调节电枢端电压（U）改变励磁回路电阻调速（调节励磁电流改变主磁通Φ）可控直流电源1．旋转变流机组2．静止可控整流器3．直流斩波器或脉宽调制转换器14第三章电动汽车电机驱动系统三相异步交流电动机概述直流电动机永磁同步电动机1234开关磁阻电动机5轮毂电动机6电动机模块常见故障及排除方法715三相异步电动机的主要结构部件3.1三相异步交流电动机的结构异步交流电动机定子部分机座定子铁芯定子绕组转子部分转子铁芯转子绕组端盖轴承机座风扇风罩接线盒吊环第三节三相异步交流电动机16三相异步电动机的工作原理3.2三相异步交流电动机的工作原理三相定子绕组通入三相交流电后将产生一个旋转磁场，该旋转磁场切割转子绕组从而在转子绕组中产生感应电动势，电动势的方向由右手定则来确定。由于转子绕组是闭合通路，转子中便有电流产生，电流方向与电动势方向相同，而载流的转子导体在定子旋转磁场作用下将产生电磁力，电磁力的方向可用左手定则确定。由电磁力进而产生电磁转矩，驱动电动机旋转，并且电动机旋转方向与旋转磁场方向相同。三相异步交流电动机的转子转速不等于定子旋转磁场的同步转速，这是三相异步交流电动机的主要特点。173.2三相异步交流电动机的工作原理转子转速与定子磁场的同步转速之间存在转速差，它的大小决定着转子电动势及其频率的大小，直接影响三相异步交流电动机的工作状态。通常将转速差与同步转速的比值用转差率表示，即11nnsn式中，s——转差率；n1——定子旋转磁场的同步转速；n——转子转速。三相异步交流电动机运行时，转差率s的取值范围为0sl。在额定负载条件下运行时，一般额定转差率s为0.01～0.06。183.3电动汽车用异步交流电动机的性能特点性能特点•小型轻量化。•易实现转速超过1000r/min的高速旋转。•高速低转矩时运转效率高。性能特点•低速时有高转矩，以及有宽泛的速度控制范围。•可靠性高（坚固）。•制造成本低。•控制装置简单化。193.4三相异步交流电动机的控制方法调速控制方法矢量控制定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量（励磁电流）和产生转矩的电流分量（转矩电流）分别加以控制，并同时控制两分量间的幅值和相位直接转矩控制以转矩为中心来进行磁链、转矩的综合控制。转速控制变频恒压控制自适应控制效率优化控制203.5三相异步交流电动机的应用实例山东中文沂星电动汽车有限公司的中文牌纯电动客车，电池使用的是磷酸铁锂电池，其容量为200A·h，电池总电压为576V，3h快速充电，额定载客88人，一次充电续航里程高达371.9km，百千米能耗64.8kW•h，0～50km加速时间为13.2s。21第三章电动汽车电机驱动系统三相异步交流电动机概述直流电动机永磁同步电动机1234开关磁阻电动机5轮毂电动机6电动机模块常见故障及排除方法7224.1永磁同步电动机的结构根据永磁体在转子上位置的不同分类按永磁体磁化方向的不同可分为径向式、切向式和混合式三种根据永磁体是否嵌入转子铁芯中可分为面贴式和插入式两种内置式永磁同步电动机外置式永磁同步电动机（a）径向式（b）切向式（c）混合式（a）面贴式（b）插入式第四节永磁同步交流电动机234.2永磁同步电动机的性能特点优点😊•功率因数大•效率高•功率密度大缺点☹•电磁结构中转子励磁不能随意改变，导致电动机弱磁困难永磁同步电动机理论还不如直流电动机和异步电动机完善，还有许多问题需要进一步研究，主要有以下两方面。24电动机效率电动机的弱磁能力4.3永磁同步电动机的控制控制原理是：以转子磁链旋转空间矢量为参考坐标，将定子电流分解为相互正交的两个分量，一个与磁链同方向，代表定子电流励磁分量，另一个与磁链方向正交，代表定子电流转矩分量，分别对其进行控制特性。矢量控制（磁场定向控制）转矩取代电流成为受控对象，电压矢量则是控制系统里唯一的输入，直接控制转矩和磁链的增加或减小，直接转矩控制控制变量为电压和频率。控制系统将参考电压和频率输入实现控制策略的调整，最后由逆变器产生一个交变的正弦电压施加在电动机的定子绕组上，使之运行在指定的电压和参考频率下。恒压频比开环控制254.2永磁同步电动机的应用实例长城汽车最新电动车产品哈弗M3纯电动汽车采用永磁同步电机，最大功率55kW，最大转矩150N•m，最高时速可以达到130km，最高续航里程为160km。北汽集团BE701，采用永磁同步电机进行驱动，电机额定电压为336V，最高功率为110kW，最高转矩为300N·m。千米加速为15s左右，可使用民用220V电源进行充电，完全充电时间为10h，而快速充电只需1h左右，在充满电后最远续航行驶距离为160km。26第三章电动汽车电机驱动系统三相异步交流电动机概述直流电动机永磁同步电动机1234开关磁阻电动机5轮毂电动机6电动机模块常见故障及排除方法7275.1开关磁阻电动机系统的组成开关磁阻电动机驱动系统开关磁阻电动机功率转换器传感器控制器开关磁阻电动机驱动系统的构成第五节开关磁阻电动机285.2开关磁阻电动机的结构与工作原理开关磁阻电动机的基本结构开关磁阻电动机由双凸极的定子和转子组成，其定子和转子的凸极均由普通的硅钢片叠压而成。转子上既无绕组也无永磁体，一般装有位置检测器；定子上绕有集中绕组，径向相对的两个绕组串联构成一相绕组。根据相数和定子、转子极数的配比，开关磁阻电动机可以设计成不同的结构（a）6/4极（b）8/6极（c）12/8极295.2开关磁阻电动机的结构与工作原理四相8/6极开关磁阻电动机左图为四相8/6极开关磁阻电动机，图中仅画出其中一相绕组（A相）的连接情况。由于定子、转子均为凸极结构，故每相绕组的电感i随转子的位置改变而改变，如右图所示。相电感、转矩与转子位置的关系曲线305.3开关磁阻电动机的性能特点调速范围宽、控制灵活制造和维护方便运转效率高可四象限运行，具有较强的再生制动能力。结构简单、成本低、制造工艺简单。转矩方向与电流方向无关，从而减少功率转换器的开关器件数，降低了成本。损耗小。可控参数多、调速性能好。结构简单、成本低、制造工艺简单。315.3开关磁阻电动机的性能特点设计和控制较复杂开关磁阻电动机设计和控制要求非常精细噪声较大32213电压保持不变而对开通角和关断角进行控制，通过对它们的控制来改变电流波形以及电流波形与绕组电感波形的相对位置。角度控制法（APC）某相绕组导通阶段，在主开关的控制信号中加入PWM信号，通过调节占空比来调节绕组端电压的大小，从而改变相电流值。电压控制法（VC）一般使电动机的开通角和关断角保持不变，而主要靠控制斩波电流限的大小来调节电流的峰值，从而调节电动机转矩和转速。实现方式有2种：•限制电流上、下幅值的控制•电流上限和关断时间恒定的控制电流斩波控制法（CCC）5.4开关磁阻电动机的控制方法335.5开关磁阻电动机的应用实例东风混合动力城市公交车采用自主开发的11m东风混合动力电动城市客车专用底盘，驱动系统装载康明斯电控柴油发动机，风冷式开关磁阻电动机和高性能镍氢电池作为辅助动力，以并联方式参与驱动；具备停车断油和制动能量回馈功能；用户在使用过程中不需外接电源对车辆进行充电，整车动力性能相当，减少温室气体排放30%，降低燃油消耗30%。34第三章电动汽车电机驱动系统三相异步交流电动机概述直流电动机永磁同步电动机1234开关磁阻电动机5轮毂电动机6电动机模块常见故障及排除方法735轮边电动机轮毂电动机轮毂电动机驱动电动汽车采用的轮毂电动机驱动属于分散式电动机驱动模式。所谓轮边电动机驱动模式，是指每个驱动车轮由单独的电动机驱动，但是电动机不是集成在车轮内，而是通过传动装置（如传动轴）连接到车轮。第六节轮毂电动机366.1轮毂电动机的结构形式37轮殼电动机动力系统0204电动机减速机构制动器散热系统外转子型采用低速外转子电动机，电动机的最高转速为1000～1500r/min，无任何减速装置，电动机的外转子与车轮的轮辋固定或者集成在一起，车轮的转速与电动机相同。外转子型内转子型内转子型则采用高速内转子电动机，同时装备固定传动比的减速器。为了获得较高的功率密度，电动机的转速通常高达10000r/min。减速机构通常采用传动比在10∶1左右的行星齿轮减速装置，车轮的转速在1000r/min左右。VS轮毂电动机动力系统根据电动机的转子形式分类6.1轮毂电动机的结构形式386.1轮毂电动机的结构形式39vs外转子型内