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纯电动汽车电驱动技术介绍

2023-01-03 汽车电子设计 阅读:
本文笔者在梳理新能源动力总成开发过程中的关键技术,为动力总成的设计和测试生产提供理论基础和参考。计划分为3个篇章来分析纯电动汽车动力总成中电驱动关键技术,今天首先介绍一下电驱动技术原理和分类。

纯电动汽车驱动技术浅析三部曲—首篇 bhiednc

纯电动汽车结构和设计不同于传统的内燃机驱动汽车,同样是一个复杂系统工程,需要将动力电池技术,电机驱动技术,汽车技术,现代控制理论相集成,实现最优化的控制过程。国家在电动汽车科技发展规划中,继续坚持“三纵三横”的研发布局,根据“纯电驱动”技术转型战略,进一步突出“三横”共性关键技术研究,即研究驱动电机及其控制系统、动力电池及其管理系统、动力总成控制系统。各大厂家依据国家发展战略制定各自的业务发展策略。bhiednc

笔者在梳理新能源动力总成开发过程中的关键技术,为动力总成的设计和测试生产提供理论基础和参考。计划分为3个篇章来分析纯电动汽车动力总成中电驱动关键技术,今天首先介绍一下电驱动技术原理和分类。bhiednc

图1 动力总成开发中的关键环节bhiednc

目前纯电动汽车动力总成的核心关键技术包括以下四类:bhiednc

图2 动力总成关键技术bhiednc

电机驱动系统定义bhiednc

根据车辆动力电池状态和整车动力需求,把车载储能或发电装置输出的电能转成机械能,并通过传动装置将能量传递到驱动轮,并在车辆制动时把部分车辆机械能转化成电能回馈到储能装置中。电能驱动系统主要包括电动机、传动机构和电机控制器等部件。电能驱动系统技术参数设计主要包括电动机的功率、 扭矩、转速、电压设计,减速机构传动比和动力电 源电容量、输出功率、电压、电流等设计。bhiednc

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图3 电驱动系统结构图bhiednc

电驱系统的组成bhiednc

图4 电驱系统的组成bhiednc

1)电机控制器bhiednc

又叫逆变器,将动力电池组输入的直流电变化交流电。核心部件:bhiednc

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◎ IGBT: 电力电子开关,原理:通过控制器,控制IGBT桥臂一定频率和顺序开关闭合,产生三相交流电。通过控制电力电子的开关闭合,实现交变电压的转换。进而通过控制占空比实现交流电压的产生。bhiednc

◎ 薄膜电容: 滤波作用,电流传感器 :检测三相绕组电流大小。bhiednc

2)控制驱动电路:电脑控制板,驱动IGBTbhiednc

电机控制器的作用:将直流电转换成交流电,接受各个信号,输出相应的功率和转矩。核心部件:电力电子开关,薄膜电容,电流传感器,控制驱动电路将不同开关打开,形成方向不同的电流,产生交变电压。因此我们可以将正弦交流电分割成矩形,矩形的面积进行一个等效转换,转成高度相同的电压,x轴通过控制占空比实现长短控制,最终实现面积的等效转换。这样的化,可以把直流电通过控制器,控制IGBT桥臂一定频率和顺序开关闭合,产生三相交流电。bhiednc

目前驱动电路,关键部件依赖进口:电容,IGBT/MOSFET开关管,DSP,电子芯片和集成电路,可自主生产但能力弱:专用电路,传感器,接插件,可以自主生产:电源,二极管,电感,多层线路板,绝缘线,散热器。bhiednc

3)电机:将三相交流电转换成机械bhiednc

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图5 典型电机的构成bhiednc

◎ 结构:前后端盖,外壳,轴和轴承bhiednc

◎ 磁路:定子铁芯,转子铁芯bhiednc

◎ 电路:定子绕组,转子导体bhiednc

4)传动装置bhiednc

变速箱或者减速器,将电机输出的转矩转速改造成整车所需要的转速和转矩。bhiednc

驱动电机的类型

驱动电机分为以下四类,目前新能源电动汽车以交流感应电机和永磁同步电机最为普遍。所以我们重点关注交流感应电机和永磁同步电机的技术。bhiednc

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1)交流感应异步电机bhiednc

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交流感性异步电机工作原理,绕组会穿过定子槽,转子:这是由高导磁薄钢片堆叠而成,三相电会通过绕组,根据法拉第电磁感应定律,会产生一个旋转的磁场,这个磁场是导致转子转动的原因。定子的三个线圈相隔120度间隔连接,载流导线在其周围产生磁场,当三相电源应用到这种特殊布置时,在特定时刻,随着交流电的变化磁场会有不同方向的变化,产生一个旋转均匀强度的磁场,磁场旋转速度称为同步速度,假设在里面放一个闭合导体,根据法拉第定律,因为磁场是变化的,回路中会感性到电动势,电动势会在回路中产生电流,这种情况就像位于磁场中的载流回路一样,在环上产生电磁力,环江开始旋转。采用类似鼠笼的东西,三相交流电通过定子会产生旋转磁场,电流会在被端环短路的鼠笼条中感应出来,因此转子开始旋转,这就是为什么电机被称为感应电机的原因。借助电磁感应而不是直接接在转子上感应电,绝缘铁芯薄片填充在转子内部,这样小尺寸的铁确保涡流损耗最小,bhiednc

2)交流同步电机bhiednc

同步电机区别于异步电机,是他的转子不同。转子上安装永磁体,安装方式分为表贴式和嵌入式,转子是由硅钢片而成,永磁体嵌入。定子也是通入相位120差的交流电,控制正弦波交流电大小和相位,让定子产生的磁场和转子产生的磁场是相反的,并且磁场是旋转的,这样通过磁铁异性相吸,带着转子进行旋转。周而复始的循环,通过定转子相吸产生。bhiednc

总结:电动车用电机驱动目前基本上形成主流,但并不单一而是呈多样化趋势。各电机驱动系统综合指标各有侧重。各系统在现有的电动车驱动中都有应用。以异步电机和永磁同步电机居多,同时也有尝试开关磁阻电机。值得指出的是电机驱动集电力电子技术、微电子技术、数字技术、自控技术以及材料科学等多门学科于一体体现多学科的综合应用发展前景十分广阔,在电动车电机中是强有力的竞争者。各种电机要想在未来的电动车中占有一席之地除了要对电机结构进行优化外,还需要控制系统智能化和数字化方面不断的探索。bhiednc

责编:Ricardo
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