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新能源汽车驱动电机产品及其性能对比
来源:艾诺仪器

电动汽车动力总成由驱动系统和电源系统组成。驱动系统尤其是驱动电机的性能决定了电动车的动力性能,属电动车的核心部件,电源系统的性能决定了电动车的续驶里程、运行成本、推广应用价值。因此,研制高性能的驱动系统和电源系统是突破电动汽车技术的关键。

目前,国内外用于电动汽车的驱动电机主要有交流异步感应电机、开关磁阻电机、永磁同步电机。分别介绍如下:

一、三类常用新能源汽车驱动电机产品

1. 交流异步电机

交流异步电机是矢量控制技术的应用,实现了交流电机的变频控制,解决了交流电机控制难的问题,显示了交流电机结构简单、效率高、可靠性高、转矩脉动小、噪声小、转速高、体积小、易维护的优势,同时也使交流电机具有了类似于直流电机的优良性能。交流电机是目前技术相对较成熟的驱动电机,但交流电机轻载效率低,解决电池向电机大电流供电以提高运行效率,并保持矢量控制下的快速动态响应是需要进一步解决的技术难题。

交流异步电机特点:

优点:控制技术成熟、电机成本低,结构相对前者更简单。

缺点:高效区窄,最高效率未必比永磁同步电机低,但是高效区没有它那么宽。另外,异步电机的相同的性能参数,异步电机的尺寸较大,重量较重。

2. 永磁同步电机

永磁电机主要指三相永磁同步电机和无刷直流电机。永磁电机在各类驱动电机中,具有功率密度高、体积小、重量轻、结构简单、控制灵活等优点。但由于永磁电机转子为永磁体,无法调节,必须通过调节定子电流、增加定子电流去磁分量来削弱磁场,这就使定子电流增大,铜耗增加。同时,磁性能受温度、振动等因素的影响,如果工作范围选择不当,存在高温退磁,电机运行有失步现象。过载能力受控制器的限制,电机制造工艺需深入探索、磁钢价格较高等都是需要从技术上实现突破的关键。由于我国占有全世界80%的稀土资源,随着铷铁錋材料性能的研究提高,以及电机设计、制造技术的不断完善和制造成本的不断下降,永磁电机的应用前景会逐步好转。为了充分发挥永磁电机的优势,克服其缺点,目前国内外开展了永磁混合电机的研制,从原理上主要有①永磁和磁阻混合,把永磁嵌入转子的磁回路中,永磁电机同时产生永磁转矩和同步磁阻,另一类是把永磁体和开关磁阻结构结合,产生另一种永磁和磁阻混合电机,即双凸电机。其具有高功率密度、高效率和宽转速范围调节等优点。②永磁转矩和磁滞转矩组合,其结构是把永磁体嵌入磁滞环内表面的槽中,这种电机启动转矩高、运行平稳、噪声低。另一种是把永磁体置于转子内,直流励磁绕组放在定子上,通过控制励磁电流的大小和方向,很容易调节电机气隙磁通,以得到满足电动汽车驱动要求的转矩/转速特性。

永磁同步电机特点:

优点:1、效率高,且高效区宽2、转矩密度高3、电机尺寸小,重量轻4、调速范围宽

缺点:电机结构复杂,尤其是转子结构。第二个缺点是会饱和非线性,控制复杂。

3. 开关磁阻电机

开关磁阻电机由电磁阻电机和开关电路控制器组成的机电一体化的新型调速电机。它由可变磁阻步进电机直接衍生而来。电机工作时,依次使定子线圈中的电流导通或截止,电流变化形成的磁场吸引转子的凸极而产生转矩。转子上没有绕组、磁钢或滑环,结构简单,可在较宽转速和转矩范围内高效运行,可靠性高,启动和调速性好,控制简单,成本低。但该类电机磁极端部严重磁饱和以及沟槽的边缘效应,使其设计和控制都非常困难,且转矩波动大、噪声大、需要位置传感器检测等,使该类电机的应用受到很大的限制。

开关磁阻电机特点:

优点:电机结构简单可靠、系统成本低

缺点:电机噪音大,而且和同步电机的共同缺点是饱和非线性,控制复杂。第三个缺点是转矩密度不高。

二、三类常用新能源汽车驱动电机产品性能及应用情况对比

1. 性能对比

针对上述三类驱动电机的技术特点,美国、欧洲多数国家倾向于采用交流电机;日本多采用无刷直流永磁电机,德国、英国着力开发开关磁阻电机。国内科研机构和电动汽车相关企业多以技术相对成熟的交流电机配置为主,并同时在研制永磁电机方面仍做着努力。从发展趋势看,交流电机和永磁电机将成为驱动电机的两大主流。

三类电机性能比较

交流异步电机

永磁同步电机

开关磁阻电机

功率密度

一般

一般

转矩转速特性

转速范围

9000~150000

4000~15000

>15000

易操作性

可靠性

一般

结构的坚固性

一般

尺寸及质量

一般、一般

小、轻

小、轻

成本

低于感应电机

控制器成本

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),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。特别是,由于具有高效、高功率密度的特点,目前在混合动力轿车中采用的基本都是永磁同步电动机。日本丰田公司的prius采用的永磁同步电动机功率已达到了50kw,新配置的suv车型所用电机功率甚至达到了123kw。

与普通工业用驱动电机系统及通用变频器不同,电动汽车用驱动电机系统的特点是高性能、高功率密度、高可靠性,低成本、低污染和良好的环境适应性。

工业用与汽车用驱动电机系统的主要差别

项目

工业用系统

汽车用系统

封装尺寸

空间不受限制

可用标准封装配套的各种应用

布置空间有限

必须根据具体产品进行特殊的针对性设计

工作环境

环境温度适中( -20- +40℃)

环境温度变化大(-40- +105℃)

可靠性要求

较高以保证生产效率

很高以保障乘车者安全

冷却方式

通常为风冷(体积大)

通常为水冷(体积小)

控制性能

多为变频调速控制

需要精确的力矩控制,动态性能较好

功率密度

较低(0.2KW/kg

较高(1-1.5 KW/kg

性价比

一般

极高


2,应用情况对比

永磁同步电机兼备着效率高、高效区宽、转矩密度高、电机尺寸小、重量轻调速范围宽等众多优点,因此,以丰田汽车和本田汽车为代表的国际化制造商以及国内一汽、东风、长安、奇瑞等厂商均在其新能源汽车中采用了永磁电机方案。另外,近几年来,随着电子电力技术、微电子技术、新型电机控制理论和稀土 永磁材料的快速发展,永磁同步电机也得到了迅速推广,因此,目前业内普遍认为永磁同步电机是最合适新能源汽车的电机类型。

当然,永磁同步电机不可避免也有其本身的一些局限性,其电机结构(尤其是转子结构)十分复杂,另外,其饱和非线性也使得其控制相对复杂。

而异步电机较之于永磁同步电机,成本更低、结构相对更简单、控制技术也相对成熟。但是其高效区较窄,在相同的性能参数下,异步电机的尺寸较大,重量较重,这些缺点都在一定程度上制约了其广泛应用。

开关磁阻电机从电机本身和控制来说都十分成熟,电机结构简单可靠、系统成本低是其主要优点。但由于开关磁阻电机有转矩波动大、噪音大、系统非线性特性等缺点,所以目前应用还受到限制。