電動車電機選型(參考).ppt

電動車電機選型和控制策略,動力總成：,內(nèi)容,一、電動車發(fā)展里程,二、電機簡介,四、電機的控制方法,三、電機匹配計算,內(nèi)容,一、電動車發(fā)展里程,二、電機簡介,四、我國電機應用,三、電機匹配計算,一、電動汽車的發(fā)展概況,電動車輛實際上比內(nèi)燃機車輛出現(xiàn)的要早。1859年，法國人旨蘭特(Plante)發(fā)明了蓄電池，即為電動車輛的實際應用開辟了道路。 1873年英國人Robert Davidson首次在馬車的基礎上制造出一輛電動三輪車，它由鐵鋅電池（一次電池）提供電力，由電機驅(qū)動。它比內(nèi)燃機為動力的汽車發(fā)明早13年。 1881午，法國工程師GustaveTmuve制造丁第一輛電動三輪車。1882年，英格蘭的WEAgcton和Jhon Perry組裝了第二輛電動三輪車。 1890年，美國依阿華州誕生了第一輛電動汽車。,一、電動汽車的發(fā)展概況,一、電動汽車的發(fā)展概況,1899年，法國制造出第一輛電動汽車。 1900年，德國出現(xiàn)了第一輛電動汽車。 1912年，美國已大量生產(chǎn)電動汽車。 20世紀20年代初，在美國汽車保有量中，電動汽車占38，而內(nèi)燃機作動力的車輛儀占22%，1915年，美國電動汽車的保有量達5萬輛。 1912年，美國工程師Charles Kettering發(fā)明了啟動機，這促進了內(nèi)燃機汽車的發(fā)展。而電動汽車由于不適應長距離行駛，發(fā)展幾乎停滯。,電動汽車經(jīng)歷了漫長的發(fā)展歲月 電動汽車是以電為動力的汽車，電的來源可有多種方法。然而，由于當時的技術水平和社會環(huán)境所限，電動汽車沒有發(fā)展起來，但燃燒汽油的內(nèi)燃機汽車發(fā)展得很快，在全世界的保有量迅速增加，尤其是在發(fā)達國家的大城市，汽車增加得更快。這樣，汽車尾氣排放的有害物質(zhì)便成為第一大環(huán)境污染源。1955年9月中的幾天里，美國洛杉磯的光化學煙霧非常濃烈，兩天之內(nèi)就有400多名65歲以上的老年人死亡，比平時高出幾倍。,一、電動汽車的發(fā)展概況,一、電動汽車的發(fā)展概況,汽車尾氣的排放對人類健康和人們生活構成了嚴重威脅，再綜合能源問題的考慮，于是，具有零排放污染的電動汽車重新被重視起來，各國都制定了相關的鼓勵政策。典型的例子如美國，1993年9月，美國政府提出了10年完成的“新一代汽車合作計劃”(PNGV)，由政府牽頭，組織幾十個公司和機構，完成提高燃料經(jīng)濟性和開發(fā)電動汽車的規(guī)定目標。各大公司在政府的支持下，也制定了發(fā)展電動汽車的長遠規(guī)劃，調(diào)動社會上各種力量參與電動汽車的研制。電動汽車經(jīng)歷了關鍵性技術的突破，樣機、樣車的研制，區(qū)域性試用以及小批量實際應用等探索階段，現(xiàn)在已接近商業(yè)化生產(chǎn)。,電動車輛的復蘇和發(fā)展 20世紀50年代到60年代中期，電動汽車開始得到復蘇。一是內(nèi)燃機汽車排氣污染，成為發(fā)達國家公認的公害之一，人們的環(huán)保意識不斷增強，對汽車的排放控制愈來愈嚴格，只有電動汽車才能滿足零排放污染的要求。二是石油資源枯竭，西方發(fā)達國家要大量進口石油，因而人們再次將目光投向電動汽車。 電動汽車在20世紀20年代末、30年代初，在與內(nèi)燃機汽車的競相發(fā)展中之所以走了下坡路，是因為制約其發(fā)展的關鍵因素是蓄電池技術和電力電子控制技術。在嚴格控制排放和節(jié)省能源的今天，依靠發(fā)展了,一、電動汽車的發(fā)展概況,的電力電子控制技術和計算機技術，加上對蓄電池的不斷改進和開發(fā)新動力電源，電動車輛終將戰(zhàn)勝內(nèi)燃機車輛，成為21世紀廣泛采用的交通工具。 目前，美國、日本、德國、英國等汽車大國競相發(fā)展電動汽車。世界各國(地區(qū))競相研究，并且相繼研制出多種電動車輛，有很多已商品化。其行駛里程、行駛車速已達到人們可以接受的程度，表11列出了部分主要生產(chǎn)廠家(公司)制造的電動汽車的性能參數(shù)。,一、電動汽車的發(fā)展概況,一、電動汽車的發(fā)展概況,我國電動車行業(yè)發(fā)展： 在我國也曾多次興起研究電動汽車的熱潮，目前更是方興未艾。20世紀40年代及50年代末展開的電動汽車的研究與試驗由于受技術條件的限制，未取得很大的進展。1962年，上海公用事業(yè)研究所針對國內(nèi)石油奇缺問題，以解決能源為目的，研制出SWDS2型電動汽車，取得不小的進展。該車的行駛速度達到284kmh續(xù)駛里程達882km。20世紀70年代初， 一些地方將目標瞄向電動車技術的薄弱環(huán)節(jié)蓄電池上，但因投入的人力物力不足，研究未取得突破性進展。20世紀80年代起，電動車輛的研究熱潮迭起，1982年，我國成立了電動車輛研究會，組織了國內(nèi)外電動汽車的學術交流，對電動車輛的發(fā)展起到了推動作用。,一、電動汽車的發(fā)展概況,電動汽車的優(yōu)點是： 它本身不排放污染大氣的有害氣體，即使按所耗電量換算為發(fā)電廠的排放，除硫和微粒外，其它污染物也顯著減少，由于電廠大多建于遠離人口密集的城市，對人類傷害較少，而且電廠是固定不動的，集中的排放，清除各種有害排放物較容易，也已有了相關技術。電力可以從多種一次能源獲得，如煤、核能、水力等，解除對石油資源日見枯竭的擔心。電動汽車還可以充分利用晚間用電低谷時富余的電力充電，使發(fā)電設備日夜都能充分利用，大大提高其經(jīng)濟效益。有些研究表明，同樣的原油經(jīng)過粗煉，送至電廠發(fā)電，經(jīng)充入電池，再由電池驅(qū)動汽車，其能量利用效率比經(jīng)過精煉變?yōu)槠?，再?jīng)汽油機驅(qū)動汽車高，因此有利于節(jié)約能源和減少二氧化碳的排量，正是這些優(yōu)點，使電動汽車的研究和應用成為汽車工業(yè)的一個“熱點“。,內(nèi)容,一、電動車發(fā)展里程,二、電機簡介,四、電機的控制方法,三、電動汽車電機選型和應用,電機的發(fā)展：1831年，美國物理學家亨利設計出最初的電子式電動機。受到亨利的啟發(fā)，一位名叫威廉里奇的人設計并造出了一臺可以轉(zhuǎn)動的電動機。里奇的這架電動機類似于我們今天在實驗室里組裝的直流電動機模型。 到了19世紀40年代，俄國科學家雅科比使電動機變得更為實用了。他用電磁鐵替代永久磁鐵進行工作。這種新型電動機當時被裝在一艘游艇上，載著幾名乘客駛過了涅瓦河。此事引起了極大的轟動。此后，出生于克羅地亞的美國人特斯拉于1888年，制造出了第一臺感應電動機，他在各種電動機中，算是被應用最廣的一種。感應電動機會將交流電快速輸入一組稱為“定子”的外線圈，繼而產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場。轉(zhuǎn)軸內(nèi)的一組線圈則稱為“轉(zhuǎn)子”，它會被定子的旋轉(zhuǎn)磁場感應出電流，然后轉(zhuǎn)子會因電流變化而轉(zhuǎn)變成電磁鐵,二、電機簡介,什么是電機： 一種旋轉(zhuǎn)式機器,它將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能,它主要包括一個用以產(chǎn)生磁場的電磁鐵繞組或分布的定子繞組和一個旋轉(zhuǎn)電樞或轉(zhuǎn)子,其導線中有電流通過并受磁場的作用而使轉(zhuǎn)動,這些機器中有些類型可作電機用,也可作發(fā)電機用。,二、電機簡介,電動機分類： 1、直流電動機 2、交流電動機,1、直流電機原理,二、電機簡介,二、電機簡介,a、將直流電源通過電刷接通電樞繞組，使 電樞導體有電流流過。 b、電機內(nèi)部有磁場存在。 c、載流的轉(zhuǎn)子（即電樞）導體將受到電磁 力 f 的作用 f=BlIa （左手定則） d、所有導體產(chǎn)生的電磁力作用于轉(zhuǎn)子，使轉(zhuǎn)子以n(轉(zhuǎn)/分)旋轉(zhuǎn)，以便拖動機械負載。,二、電機簡介,2、交流電動機原理,二、電機簡介,二、電機簡介,開關磁阻電機簡稱SR電機，或SRM，典型的開關磁阻電動機結構如圖，其定子和轉(zhuǎn)子均為凸極結構。定子和轉(zhuǎn)子的齒數(shù)不等，轉(zhuǎn)子齒數(shù)一般比定子少兩個。定子齒上套有集中線圈，兩個空間位置相對的定子齒線圈相串聯(lián)，形成一相繞組。轉(zhuǎn)子由鐵心疊片而成，其上無繞組。開關磁阻電機的工作原理與磁阻式步進電動機一樣，基于磁通總是沿磁導最大的路徑閉合的原理。當定、轉(zhuǎn)子齒中心線不重合、磁導不為最大時，磁場就會產(chǎn)生磁拉力，形成磁阻轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到磁導最大的位置。,二、電機簡介,當定子A相繞組流過電流時，若轉(zhuǎn)子上某個齒和定子通電相齒的中心線不重合，則通電相電流所產(chǎn)生磁場將產(chǎn)生電磁力，使轉(zhuǎn)子沿著使定、轉(zhuǎn)子齒中心線對齊的方向旋轉(zhuǎn)一個角度，最后使轉(zhuǎn)子齒對準定子A相齒。由于轉(zhuǎn)子齒數(shù)比定子少，轉(zhuǎn)子齒距比定子齒距大，在轉(zhuǎn)子某個齒對齊定子A相齒時，轉(zhuǎn)子的另一個齒就與定子B相的齒中心線間又會出現(xiàn)偏移，若接著B相通電，那么轉(zhuǎn)子又將繼續(xù)轉(zhuǎn)過一個角度。如果改變定子各相的通電次序，電機將改變轉(zhuǎn)向，但相電流流通方向的改變是不會影響轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向的。,二、電機簡介,異步電動機定子上有三相對稱的交流繞組；三相對稱交流繞組通入三相對稱交流電流時，將在電機氣隙空間產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場；轉(zhuǎn)子繞組的導體處于旋轉(zhuǎn)磁場中；轉(zhuǎn)子導體切割磁力線，并產(chǎn)生感應電勢，判斷感應電勢方向。轉(zhuǎn)子導體通過端環(huán)自成閉路，并通過感應電流。 感應電流與旋轉(zhuǎn)磁場相互作用產(chǎn)生電磁力，判斷電磁力的方向。 電磁力作用在轉(zhuǎn)子上將產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，并驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。 根據(jù)以上電磁感應原理，異步電動機也叫感應電動機。,二、電機簡介,二、電機簡介,電動車直流電機,1、永磁式直流電機 ：,定子磁極采用永磁體（永久磁鋼），有鐵氧體、鋁鎳鈷、釹鐵硼等材料。按其結構形式可分為圓筒型和瓦塊型等幾種。轉(zhuǎn)子一般采用硅鋼片疊壓而成， 漆包線繞在轉(zhuǎn)子鐵心的兩槽之間（三槽即有三個繞組），其各接頭分別焊在換向器的金屬片上。電刷是連接電源與轉(zhuǎn)子繞組的導電部件，具備導電與耐磨兩種性能。永磁電機的電刷使用單性金屬片或金屬石墨電刷、電化石墨電刷。,二、電機簡介,2、無刷直流電機：由永磁體轉(zhuǎn)子、多極繞組定子、位置傳感器等組成。無刷直流電機的特點是無刷，采用半導體開關器件（如霍爾元件）來實現(xiàn)電子換向的，即用電子開關器件代替?zhèn)鹘y(tǒng)的接觸式換向器和電刷。它具有可靠性高、無換向火花、機械噪聲低等優(yōu)點。位置傳感器按轉(zhuǎn)子位置的變化，沿著一定次序?qū)Χㄗ永@組的電流進行換流（即檢測轉(zhuǎn)子磁極相對定子繞組的位置，并在確定的位置處產(chǎn)生位置傳感信號，經(jīng)信號轉(zhuǎn)換電路處理后去控制功率開關電路，按一定的邏輯關系進行繞組電流切換）。位置傳感器有磁敏式、光電式和電磁式三種類型。 采用磁敏式位置傳感器的無刷直流電動機，其磁敏傳感器件（例如霍爾元件、磁敏二極管、磁敏詁極管、磁敏電阻器或?qū)Ｓ眉呻娐返龋┭b在定子組件上，用來檢測永磁體、轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的磁場變化。電動汽車多用的是霍爾元件。,二、電機簡介,電動汽車驅(qū)動電機的特性和要求：,用于電動汽車的驅(qū)動電機與常規(guī)的工業(yè)電機不同。電動汽車的驅(qū)動電機通常要求頻繁的啟動/停車、加速/減速，低速或爬坡時要求高轉(zhuǎn)矩，高速行駛時要求低轉(zhuǎn)矩，并要求變速范圍大。而工業(yè)電機通常優(yōu)化在額定的工作點。因此，電動汽車驅(qū)動電機比較獨特，應單獨歸為一類。他們在負載要求、技術性能和工作環(huán)境等方面有著特殊的要求：,二、電機簡介,1、電動汽車驅(qū)動電機需要有4-5倍的過載以滿足短時加速或爬坡的要求；而工業(yè)電機只要求有2倍的過載就可以了。 2、電動汽車的最高轉(zhuǎn)速要求達到在公路上巡航時基本速度的4-5倍，而工業(yè)電機只需要達到恒功率是基本速度的2倍即可。 3、電動汽車驅(qū)動電機需要根據(jù)車型和駕駛員的駕駛習慣設計，而工業(yè)電機只需根據(jù)典型的工作模式設計。 4、電動汽車驅(qū)動電機要求有高度功率密度（一般要求達到1kg/kw以內(nèi)）和好的效率圖（在較寬的轉(zhuǎn)速范圍和轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)都有較高的效率），從而能夠降低車重，延長續(xù)駛里程；而工業(yè)電機通常對功率密度、效率和成本進行綜合考慮，在額定工作點附近對效率進行優(yōu)化。,二、電機簡介,5、電動汽車驅(qū)動電機要求工作可控性高、穩(wěn)態(tài)精度高、動態(tài)性能好；而工業(yè)電機只有某一種特定的性能要求。 6、電動汽車驅(qū)動電機被裝在機動車上，空間小，工作在高溫、壞天氣、及頻繁振動等等惡劣環(huán)境下。而工業(yè)電機通常在某一個固定位置工作。 因此，我們在電動汽車驅(qū)動電機的選型或設計時，應當綜合考慮上述要求。,二、電機簡介,目前的電動汽車驅(qū)動電機介紹,1、直流電機：習慣上把有換向器的直流電機稱為直流電機。優(yōu)點是其電磁繞組的磁場與電樞繞組的磁場是垂直的，因而其控制原理非常簡單；通過用永磁材料代替勵磁繞組后，就變成了永磁直流電機。由于有效的利用了徑向空間，使定子的直徑大大減小，并且沒有磁場損失，提高了功率密度和效率。但缺點是由于有換向器和電刷，使它的可靠性降低（火花和碳粉），且需要定期專業(yè)維護。,二、電機簡介,2、永磁無刷直流電機：通過改變永磁直流電機的定子和轉(zhuǎn)子的位置，就可以得到永磁無刷直流電機。需注意到是“直流”這個術語會引起誤解，因為它并不是指直流電機，實際上它采用交流方波供電，所以也稱為永磁無刷方波電機。它最大的優(yōu)點是無刷，消除了電刷帶來的許多問題。而且方波電流方波磁場相互作用可以產(chǎn)生更大的轉(zhuǎn)矩。佛山照明沈大衛(wèi)教授給的全稱就是“永磁無刷方波力矩電機”。,3、永磁無刷同步電機：用永磁材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)同步電機的勵磁繞組，就能去掉傳統(tǒng)的電刷、滑環(huán)和勵磁繞組的銅損，由于采用正弦交流電及無刷結構，又叫永磁無刷交流電機。其優(yōu)點是高能量密度和高效率，其恒功率區(qū)域有更寬的轉(zhuǎn)速范圍，并可以以矢量控制方法來滿足電動汽車的高性能要求。如南車時代的電機。,二、電機簡介,車用電機的發(fā)展趨勢如下,(1)電機本體永磁化：永磁電機具有高轉(zhuǎn)矩密度、高功率密度、高效率、高可靠性等優(yōu)點。我國具有世界最為豐富的稀土資源，因此高性能永磁電機是我國車用驅(qū)動電機的重要發(fā)展方向。 (2)電機控制數(shù)字化：專用芯片及數(shù)字信號處理器的出現(xiàn)，促進了電機控制器的數(shù)字化，提高了電機系統(tǒng)的控制精度，有效減小了系統(tǒng)體積。 (3)電機系統(tǒng)集成化：通過機電集成（電機與發(fā)動機集成或電機與變速箱集成）和控制器集成，有利于減小驅(qū)動系統(tǒng)的重量和體積，可有效降低系統(tǒng)制造成本。,二、電機簡介,內(nèi)容,一、電動車發(fā)展里程,二、電機簡介,四、我國電機應用,三、電機匹配計算,三、電機匹配計算,設計目標： 1、最高車速 Vmax60km/h 2、最大爬坡度 imax20(15km/h) 3、加速時間： 20（0-50 km/h） 4、一次充電續(xù)駛里程： 65km（勻速60km/h）；,整車參數(shù) ：,滿載質(zhì)量(kg)：566 空氣阻力系數(shù)： 0.35 迎風面積(m2)：2 傳動效率：0.922 車輪滾動半徑(m) ：145/70R12 (60km)0.2465 滾動阻力系數(shù)(60km)：根據(jù)經(jīng)驗公式0.0121,整車參數(shù)：,三、電機匹配計算,設計目標： 1、最高車速 Vmax60km/h 2、最大爬坡度 imax20(15km/h) 3、加速時間： 20（0-50 km/h） 4、一次充電續(xù)駛里程： 65km（勻速60km/h）；,整車參數(shù) ：,滿載質(zhì)量(kg)：566 空氣阻力系數(shù)： 0.35 迎風面積(m2)：2 傳動效率：0.922 車輪滾動半徑(m) ：145/70R12 (60km)0.2465 滾動阻力系數(shù)(60km)：根據(jù)經(jīng)驗公式0.0121,整車參數(shù)：,三、電機匹配計算,電機參數(shù)：,額定轉(zhuǎn)速(r/min)：3000 額定功率(kW)：5 最大轉(zhuǎn)速(r/min)：4600 最大功率(kW)：11 額定扭矩(N.m)：16 最大扭矩(N.m)：50 額定電壓(V)：72 額定相電流(A)：128 峰值相電流：(A)500 減速比：6,三、電機匹配計算,三、電機匹配計算,蓄電池參數(shù)：,電池類型：鉛酸電池 單塊電池電壓：72V 單塊電池容量：16Ah 單塊電池質(zhì)量：10.5kg 電池放電深度“：0.8 蓄電池的平均放電效率q：0.95 電池組標稱電壓(V)：72 電池組總容量(Kwh)：5.76,三、電機匹配計算,動力性分析：,三、電機匹配計算,三、電機匹配計算,三、電機匹配計算,三、電機匹配計算,三、電機匹配計算,續(xù)航里程計算,內(nèi)容,一、電動車發(fā)展里程,二、電機簡介,四、我國電機應用,三、電機匹配計算,四、我國電機應用,(1)交流異步電機驅(qū)動系統(tǒng)我國已建立了具有自主知識產(chǎn)權