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        電動汽車用電機技術現狀與發展趨勢

        環境和能源問題日益引起全球的高度重視,因此研發節約能源、少污染甚至無污染的綠色汽車已成為全球的熱點。電動汽車具有低噪聲、零排放、高效、節能及能源多樣化和綜合利用等顯著優點,成為各國開發的主流。電動汽車的發展有賴于技術的進步,尤其是需要進一步提高其動力系統的性能,降低其成本。而當前制約電動汽車發展的最關鍵問題之一就是電動機。

        早期的電動汽車用驅動電機大多采用直流電機。但隨著微電子、電力電子技術和自動化控制技術的快速發展,電動汽車上采用交流感應電機作為驅動電機日益增多。與直流電機相比,其結構簡單堅固、質量輕、體積小、低成本、效率高、價格低廉。

        交流感應電機有鼠籠轉子式和繞線轉子式。繞線轉子式可通過改變外電路參數來改善電機的運行性能,但其成本高、需要維護、耐久性不足,因而它沒有鼠籠轉子式應用那么廣泛,特別是在純電動汽車和混合動力汽車上。

        永磁電機根據輸入電機接線端的電流可分為永磁直流電機和永磁交流電機亦稱永磁無刷電機,永磁無刷電機又包括永磁同步電機、永磁無刷直流電機和永磁混合電機三種。永磁電機的控制方式與交流感應電機基本相同,是當前電動汽車應用的研發熱點。

        永磁直流電機若勵磁線圈和磁極用永磁體代替,傳統的繞線式直流電機就變成了永磁直流電機。永磁直流電機功率密度和效率較高,電樞反應減少,換向器得以改善。這些優點促進了它在電動車上的應用。但因其換向器會產生轉矩波動,同時其電刷會帶來摩擦和射頻干擾,并且它們都需要定期維護,因而永磁直流電機的應用不再有吸引力。

        電動汽車有純電動、混合動力和燃料電池三種類型,無論純電動汽車、混合動力電動汽車還是燃料電池電動汽車,車用驅動電機系統既是關鍵技術又是共性技術。目前各國際汽車集團、跨國氣集團、科研院所都投入大量資金與人力開展電動汽車用驅動電機系統技術研發。

        隨著電機及驅動系統的發展,控制系統趨于智能化和數字化。變結構控制、模糊控制、神經網絡、自應控制、專家系統、遺傳算法等非線性智能控制技術,將單獨或結合應用于電動汽車的電機控制系統。它們的應用將使系統結構簡單、響應迅速、抗干擾能力強,參數變化具有魯棒性,可大大提高整個系統的綜合性能。蓄電池是電動汽車的儲能動力源。能量管理系統是電動汽車的智能核心。一輛設計優良的電動汽車,除了有良好的機械性能、電驅動性能、適當的能量源(即電池)外,還應該有一套維持電動車所有蓄電池組件工作的能量管理系統,并使其工作于最佳狀態。

        由于電池的能量密度較低,電池組的質量過大,因此,即使電動汽車動力系統的效率很高,使用鉛酸電池的電動汽車一次充電的續駛里程也只有100km左右。由于電池性能差,電動汽車的動力性能無法達到當前內燃機汽車的水平。

        由于電動汽車所能攜帶的電能有限,所以在車上對電能的使用必須注意節省,車內空調和暖風的選用必須充分考慮其對電動汽車續駛里程的影響。除此之外,動力轉向、真空助力器、主動(半主動)懸架以及其他一些車載電器的使用也受到限制。因此,乘員的舒適性受到影響。

        國內車用電機驅動系統的可靠性和耐久性較低,且缺乏可靠性和耐久性評價理論依據,無法通過設計和有限試驗獲知電動汽車電機驅動系統的壽命。電機驅動系統是典型的串聯可靠性模型,現有國標(報批稿)制定的可靠性測試工控仍參照發動機考核,缺乏可靠性和耐久性評價理論依據。

        與提升材料利用率、建立可靠性和電池兼容模型等有關的一些基本模型缺乏,是車用電機驅動系統技術突破的理論障礙,例如電機高功率密度化后,磁場飽和和波弦、脈振和線性假設的理想模型預測值相差甚遠,需要建立新型的鐵損耗模型。

        電動汽車用電機驅動系統技術發展趨勢基本可以歸納為永磁化、數字化和集成化。永磁電機具有效率高、比功率較大、功率因數高、可靠性高和便于維護的優點。采用矢量控制的變頻調速系統,可使永磁電動機具有寬廣的調速范圍。因此,電機的永磁化成為電機驅動技術的重要發展方向之一。永磁電機是電動汽車尤其是轎車的主流技術,永磁磁阻式比表貼式更適合電動汽車應用。數字化也是未來電機驅動技術發展的必然趨勢。數字化不僅包括驅動控制的數字化,驅動到數控系統接口的數字化,而且還應該包括測量單元數字化。隨著微電子學及計算機技術的發展,高速、高集成度、低成本的微機專用芯片以及DSP等的問世及商品化,使得全數字的控制系統成為可能。用軟件最大程度上地代替硬件,除完成要求的控制功能外,還具有保護、故障監控、自診斷等其他功能。全數字化是電動車控制乃至交流傳動系統的重要發展方向之一。

        總之,電動汽車驅動電機總的發展趨勢是由通用走向專用,由直流走向交流。電機作為電機驅動系統的動力源,是電動汽車動力系統的核心,已成為電動汽車發展的瓶頸。相信隨著電機技術電力電子技術、微電子技術、自控技術的飛速發展和更加完美的結合,電動車用電機必將發展成為可靠、易維護、低成本、高效率、寬調速、高功率密度和高集成度的智能電機。


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