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能源汽车电机系统介绍及前景展望

2018年10月12日 14:15:30来源:新能源汽车产业发展联盟作者:新能源汽车产业发展联盟关键词:电机网

​新能源电动轿车功用还有巨大的提高空间,我们往往最重视电池,作为决定电动轿车功用的要害部件,本文主要说说电机。

一、电机电控的重要性

新能源轿车作为传统燃油轿车的替代品,其主要电气体系即为在传统轿车“三小电”(空调、转向、制动)基础上延伸发生的电动动力总成体系“三大电”——电池、电机、电控。其间,电机、电控体系作为传统发动机(变速箱)功用的替代,其功用直接决定了电动轿车的爬坡、加快、最高速度等主要功用指标。

一起,新能源轿车电机、电控体系面对的工况相对杂乱:需求可以频繁起停、加减速,低速/爬坡时要求高转矩,高速行驶时要求低转矩,具有大变速规模;混合动力车还需求处理电机发动、电机发电、制动能量回馈等特别功用。

此外,电机的能耗直接决定了固定电池容量情况下的续航路程。因而,电动轿车驱动体系在负载要求、技术功用和工作环境上有特别要求:

其一,驱动电机要有更高的能量密度,完成轻量化、低成本,习惯有限的车内空间,一起要具有能量回馈能力,下降整车能耗;

第二,驱动电机一起具有高速宽调速和低速大扭矩,以供给高发动速度、爬坡功用和高速加快功用;

第三,电控体系要有高操控精度、高动态呼应速率,并一起供给高安全性和可靠性。

电机电控体系作为新能源轿车产业链的重要一环,其技术、制作水平直接影响整车的功用和成本。现在,国内涵电机、电控范畴的自主化程度仍远落后于电池,部分电机电控中心组件如IGBT 芯片等仍不具有完全自主出产能力,具有体系完整知识产权的整车企业和零部件企业仍是少量。跟着国内电机电控体系产业链的逐步完善,电机电控体系的国产化率逐步提高,电机电控市场具有的增速有望超过新能源轿车整车市场的增速。

此外,跟着整车车体结构轻量化的推进,电池、电机、电控体系在新能源轿车整车中的成本占比也逐步上升。

依据Argonne 国家实验室统计数据,新能源轿车动力总成(电机、电控、变速器)的成本别离占整车成本的15.67%(轿车)和13.69%(小型货车),总成占比仅次于电池和BMS 体系。在新能源轿车补贴逐步退坡的政策驱动下,动力总成成本、分量下降的压力将逐步向上传导至电机、电控产品厂商,具有技术、规模优势的供货商将在成本下降的过程中占有优势。因而,电机电控市场仍然在很大程度上影响新能源轿车市场的走向。

二、永磁同步、交流异步电机成为驱动电机主流技术

电动机在工业中的运用十分广泛,功率掩盖规模宽,品种也许多。但因为新能源轿车在功率、转矩、体积、质量、散热等方面对驱动电机有更高的要求,因而,比较工业电机,新能源轿车驱动电机有必要具有更优秀的功用,如:小体积以习惯车辆有限的内部空间,工作温度规模宽(-40~1050C),习惯不安稳的工作环境,高可靠性以确保车辆和乘员的安全,高功率密度以供给杰出的加快功用(1.0-1.5kW/kg)等,因而驱动电机的品种相对较少,功率掩盖也相对较窄,产品相对集中。

现在,运用于新能源轿车的驱动电机主要包含直流电机、交流电机和开关磁阻电机三类,其间在现在乘用车、商用车范畴运用较为广泛的电机包含直流(无刷) 电机、交流感应(异步)电机、永磁同步电机、开关磁阻电机等。其他特别类型的驱动电机包含轮毂/轮边电机、混合励磁电机、多相电机、双机械端口能量改换器( Dmp-EVT),现在市场化运用较少,是否可以大规模推广需求更长时刻的车型验证。

(1)交流异步电机,也称为感应电机( Induction Motor),在定子绕组中输入三相交流电,定子绕组中的励磁电流在定子铁芯中发生旋转磁场, 此刻转子绕组中有感应电流经过并推进转子作旋转运动。当转子带有机械负载时,转子电流添加,因为电磁感应作用,定子绕组中的励磁电流也添加。 交流异步电机操控器选用脉宽调制( PWM) 方法完成高压直流到三相沟交流电源改换,选用变频器完成电机调速,选用矢量操控或直接转矩操控完成转矩操控的快速呼应,满足车载改变特性的要求。

交流异步电机的长处在于结构简略,定子转子无直接触摸,运转可靠性强,转速高,维护成本低。不足之处在于能耗高,转子发热快,高速工况下需求额外冷却体系;功率因数低,需求大容量的变频器,造价较高,调速性较差。 现在,交流异步电机主要用于空间要求较低、且速度功用要求不高的电动客车、物流车、商用车等车型中。

(2)永磁电机( Permanent Magnetic Motor)包含永磁同步电机(正弦波)和永磁无刷直流电机(方波)两大类,其转子均由永磁资料制成, 定子选用三相绕组,输入调制方波发生旋转磁场带动永磁转子滚动。

永磁同步电机的长处在于其较大的转矩和驱动功率,具有高功率密度和宽调速规模,且没有励磁损耗和散热问题,电机结构简略,体积比同功率的异步电机小 15%以上;其缺陷在于高速运转时操控杂乱,永磁体退磁问题现在难以解决, 电机造价较高。现在,永磁同步电机主要运用于体积小,且速度、操控功用要求较高的电动乘用车范畴,部分中小型客车亦开端尝试运用永磁电机作为驱动源。 永磁无刷直流电机则一般在小功率电动轿车、低速电动车范畴运用较为广泛。

(3)开关磁阻电机( Switched Reluctance Motor)的定子和转子铁芯均由硅钢片叠压而成,运用冲片上的齿槽构成双凸极结构, 定子发生歪曲磁场,运用“磁阻最小原理”驱动转子运动。 开关磁阻电机结构和操控简略、出力大,可靠性高,成本低,起动制动功用好,运转功率高,但电机噪声高,但转矩脉动严峻,非线性严峻,在电动轿车驱动中有利有弊,现在电动轿车运用较少。

(4)直流电机(DC Motor)经过在定子主磁极上绕制励磁线圈并通以直流电以发生磁场,转子电枢绕组也通以直流电,通电绕组置于磁场中输出电磁转矩拖动负载运转。直流电机操控器一般选用晶闸管脉宽调制方法( PWM),操控功用好,调速平滑度高,操控简略,技术老练,且成本较低。直流电机的缺陷是需求独立的电刷和换向器,导致速度提高受限;电刷易损耗,维护成本较高。直流电机多用于前期的电动轿车驱动体系,现在新研发的车型已经基本不再选用。

现在, 新能源轿车所运用的电机以交流感应电机和永磁同步电机为主。其间,日韩车系现在多选用永磁电机,转速区间和功率相对都较高,可是需求运用贵重的体系永磁资料钕铁硼;欧美车系则多选用交流感应电机,主要原因是关于稀土资源匮乏,以及下降电机成本考虑,其下风则主要是转速区间小,功率低,需求功用更高的调速器以匹配功用。 特斯拉公司在其本代车型 Model S 和 Model X 上均选用的是自行设计的交流感应电机。

我国稀土资源丰富, 因而电动乘用车多选用功率功用高、体积较小的永磁同步电机。 依据中国轿车工业协会统计数据,2016 年上半年,我国纯电动轿车产销量别离到达 13.4 万辆、12.6 万辆,同比别离增加 160.8%、 161.6%。上半年出产纯电动乘用车约 70000 辆,其间永磁同步电机的装机占比约为 65.7%,比 15 年同期增加 21.25 个百分点,比 15 年全年增加了 19.99 个百分点。

同期,国产新能源乘用车用交流异步电机的市场分额在逐步减小,从 2015 年上半年的 35.1%下滑至 2016 年上半年年的 32.9%;而混合励磁同步电机的占比则从 0.03%上升至 1.10%,虽然肯定占比仍相对较小,但装机率有望保持小幅安稳的增加态势,未来有可能在纯电动乘用车范畴首先取得突破性进展。

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