Das Zusammenleben des Menschen mit der Umwelt und die nachhaltige Entwicklung der Weltwirtschaft wecken den Wunsch nach einem emissionsarmen und ressourcenschonenden Transportmittel, und der Einsatz von Elektrofahrzeugen ist zweifellos eine vielversprechende Lösung.
Moderne Elektrofahrzeuge sind umfassende Produkte, die verschiedene High-Tech-Technologien wie Elektrizität, Elektronik, mechanische Steuerung, Materialwissenschaft und chemische Technologie integrieren. Die Gesamtbetriebsleistung, Wirtschaftlichkeit usw. hängen zunächst vom Batteriesystem und dem Motorantriebssteuerungssystem ab. Das Motorantriebssystem eines Elektrofahrzeugs besteht im Allgemeinen aus vier Hauptteilen, nämlich dem Controller. Stromrichter, Motoren und Sensoren. Zu den derzeit in Elektrofahrzeugen verwendeten Motoren gehören im Allgemeinen Gleichstrommotoren, Induktionsmotoren, geschaltete Reluktanzmotoren und bürstenlose Permanentmagnetmotoren.
1. Grundanforderungen von Elektrofahrzeugen an Elektromotoren
Der Betrieb von Elektrofahrzeugen ist im Gegensatz zu allgemeinen Industrieanwendungen sehr komplex. Daher sind die Anforderungen an das Antriebssystem sehr hoch.
1.1 Motoren für Elektrofahrzeuge sollten die Eigenschaften einer großen Momentanleistung, einer starken Überlastfähigkeit, eines Überlastkoeffizienten von 3 bis 4), einer guten Beschleunigungsleistung und einer langen Lebensdauer aufweisen.
1.2 Motoren für Elektrofahrzeuge sollten über einen breiten Drehzahlregelungsbereich verfügen, einschließlich des Bereichs mit konstantem Drehmoment und des Bereichs mit konstanter Leistung. Im Bereich konstanten Drehmoments ist beim Fahren mit niedriger Geschwindigkeit ein hohes Drehmoment erforderlich, um den Anforderungen beim Anfahren und Steigen gerecht zu werden; Im Bereich konstanter Leistung ist eine hohe Geschwindigkeit erforderlich, wenn ein niedriges Drehmoment erforderlich ist, um den Anforderungen einer Hochgeschwindigkeitsfahrt auf ebenen Straßen gerecht zu werden. Erfordern.
1.3 Der Elektromotor für Elektrofahrzeuge sollte in der Lage sein, beim Abbremsen des Fahrzeugs regeneratives Bremsen zu realisieren, Energie zurückzugewinnen und in die Batterie zurückzuspeisen, damit das Elektrofahrzeug die beste Energieausnutzungsrate aufweist, die bei Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor nicht erreicht werden kann .
1.4 Der Elektromotor für Elektrofahrzeuge sollte im gesamten Betriebsbereich einen hohen Wirkungsgrad aufweisen, um die Reichweite einer Ladung zu verbessern.
Darüber hinaus ist es auch erforderlich, dass der Elektromotor für Elektrofahrzeuge eine gute Zuverlässigkeit aufweist, lange Zeit in einer rauen Umgebung arbeiten kann, einen einfachen Aufbau aufweist und für die Massenproduktion geeignet ist, im Betrieb geräuscharm ist und einfach zu bedienen ist wartungsfreundlich und kostengünstig.
2 Arten und Steuerungsmethoden von Elektromotoren für Elektrofahrzeuge
2.1 Gleichstrom
Motoren Die Hauptvorteile von bürstenbehafteten Gleichstrommotoren sind die einfache Steuerung und die ausgereifte Technologie. Er verfügt über hervorragende Steuereigenschaften, die von Wechselstrommotoren nicht erreicht werden. In den früh entwickelten Elektrofahrzeugen wurden meist Gleichstrommotoren verwendet, und auch heute noch werden einige Elektrofahrzeuge noch von Gleichstrommotoren angetrieben. Aufgrund des Vorhandenseins von Bürsten und mechanischen Kommutatoren schränkt dies jedoch nicht nur die weitere Verbesserung der Überlastfähigkeit und Drehzahl des Motors ein, sondern erfordert bei längerem Betrieb auch eine häufige Wartung und den Austausch von Bürsten und Kommutatoren. Da außerdem Verluste am Rotor auftreten, ist es schwierig, Wärme abzuleiten, was die weitere Verbesserung des Drehmoment-zu-Masse-Verhältnisses des Motors einschränkt. Angesichts der oben genannten Mängel von Gleichstrommotoren werden Gleichstrommotoren in neu entwickelten Elektrofahrzeugen grundsätzlich nicht verwendet.
2.2 AC-Dreiphasen-Induktionsmotor
2.2.1 Grundleistung des AC-Dreiphasen-Induktionsmotors
Drehstrom-Induktionsmotoren sind die am weitesten verbreiteten Motoren. Der Stator und der Rotor sind mit Siliziumstahlblechen laminiert, und es gibt keine Schleifringe, Kommutatoren und andere Komponenten, die zwischen den Statoren miteinander in Kontakt stehen. Einfache Struktur, zuverlässiger Betrieb und langlebig. Der Leistungsbereich des AC-Induktionsmotors ist sehr breit und die Drehzahl erreicht 12.000 bis 15.000 U/min. Es kann Luftkühlung oder Flüssigkeitskühlung mit einem hohen Grad an Kühlfreiheit eingesetzt werden. Es verfügt über eine gute Anpassungsfähigkeit an die Umgebung und kann eine regenerative Rückkopplungsbremsung realisieren. Im Vergleich zum Gleichstrommotor mit gleicher Leistung ist der Wirkungsgrad höher, die Qualität um etwa die Hälfte reduziert, der Preis günstig und die Wartung bequem.
2.2.2 Das Kontrollsystem
des AC-Induktionsmotors Da der AC-Dreiphasen-Induktionsmotor den von der Batterie gelieferten Gleichstrom nicht direkt nutzen kann und der AC-Dreiphasen-Induktionsmotor nichtlineare Ausgangseigenschaften aufweist. Daher ist es in einem Elektrofahrzeug mit einem Wechselstrom-Dreiphasen-Induktionsmotor erforderlich, die Leistungshalbleitervorrichtung im Wechselrichter zu verwenden, um den Gleichstrom in einen Wechselstrom umzuwandeln, dessen Frequenz und Amplitude angepasst werden können, um die Steuerung des Wechselstroms zu realisieren Drehstrommotor. Es gibt hauptsächlich V/f-Steuerungsverfahren und Schlupffrequenz-Steuerungsverfahren.
Mithilfe der Vektorsteuerungsmethode werden die Frequenz des Wechselstroms der Erregerwicklung des dreiphasigen Wechselstrom-Induktionsmotors und die Klemmeneinstellung des dreiphasigen Wechselstrom-Induktionsmotors am Eingang sowie der magnetische Fluss und das Drehmoment des rotierenden Magnetfelds gesteuert des AC-Dreiphasen-Induktionsmotors werden gesteuert und die Änderung des AC-Dreiphasen-Induktionsmotors wird realisiert. Die Drehzahl und das Ausgangsdrehmoment können den Anforderungen der Lastwechseleigenschaften gerecht werden und den höchsten Wirkungsgrad erzielen, sodass der dreiphasige Wechselstrom-Induktionsmotor in Elektrofahrzeugen weit verbreitet eingesetzt werden kann.
2.2.3 Mängel von
AC-Dreiphasen-Induktionsmotor Der Stromverbrauch des AC-Dreiphasen-Induktionsmotors ist hoch und der Rotor erwärmt sich leicht. Es ist notwendig, die Kühlung des AC-Drehstrom-Induktionsmotors während des Hochgeschwindigkeitsbetriebs sicherzustellen, da sonst der Motor beschädigt wird. Der Leistungsfaktor des AC-Dreiphasen-Induktionsmotors ist niedrig, so dass auch der Eingangsleistungsfaktor des Frequenzumwandlungs- und Spannungsumwandlungsgeräts niedrig ist, sodass ein Frequenzumwandlungs- und Spannungsumwandlungsgerät mit großer Kapazität verwendet werden muss. Die Kosten für das Steuerungssystem des dreiphasigen Wechselstrom-Induktionsmotors sind viel höher als die des dreiphasigen Wechselstrom-Induktionsmotors selbst, was die Kosten des Elektrofahrzeugs erhöht. Darüber hinaus ist auch die Drehzahlregelung des Drehstrom-Induktionsmotors schlecht.
2.3 Bürstenloser Permanentmagnet-Gleichstrommotor
2.3.1 Grundleistung eines bürstenlosen Permanentmagnet-Gleichstrommotors
Der bürstenlose Permanentmagnet-Gleichstrommotor ist ein Hochleistungsmotor. Sein größtes Merkmal besteht darin, dass er die äußeren Eigenschaften eines Gleichstrommotors ohne mechanische Kontaktstruktur aus Bürsten aufweist. Darüber hinaus verfügt es über einen Permanentmagnetrotor und es gibt keinen Erregungsverlust: Die beheizte Ankerwicklung ist am äußeren Stator installiert, wodurch die Wärme leicht abgeleitet werden kann. Daher weist der bürstenlose Gleichstrommotor mit Permanentmagneten keine Kommutierungsfunken, keine Funkstörungen, eine lange Lebensdauer und einen zuverlässigen Betrieb auf. , einfache Wartung. Darüber hinaus ist seine Geschwindigkeit nicht durch mechanische Kommutierung begrenzt und kann bei Verwendung von Luftlagern oder magnetischen Federlagern mit bis zu mehreren hunderttausend Umdrehungen pro Minute laufen. Im Vergleich zum bürstenlosen Gleichstrommotorsystem mit Permanentmagneten weist es eine höhere Energiedichte und einen höheren Wirkungsgrad auf und hat gute Anwendungsaussichten in Elektrofahrzeugen.
2.3.2 Das Steuerungssystem des bürstenlosen Permanentmagnet-Gleichstrommotors
Ein typischer bürstenloser Gleichstrommotor mit Permanentmagneten ist ein quasi-entkoppelndes Vektorsteuerungssystem. Da der Permanentmagnet nur ein Magnetfeld mit fester Amplitude erzeugen kann, ist das bürstenlose Gleichstrommotorsystem mit Permanentmagneten sehr wichtig. Es eignet sich für den Betrieb im Bereich mit konstantem Drehmoment und verwendet im Allgemeinen die Stromhysteresesteuerung oder die SPWM-Methode mit Stromrückkopplung. Um die Geschwindigkeit weiter zu erhöhen, kann der bürstenlose Gleichstrommotor mit Permanentmagneten auch eine Feldschwächungssteuerung verwenden. Der Kern der Feldschwächungssteuerung besteht darin, den Phasenwinkel des Phasenstroms vorzuverstellen, um ein Längsentmagnetisierungspotential bereitzustellen, um die Flusskopplung in der Statorwicklung zu schwächen.
2.3.3 Unzulänglichkeit von
Bürstenloser Permanentmagnet-Gleichstrommotor Der bürstenlose Permanentmagnet-Gleichstrommotor wird durch den Permanentmagnet-Materialprozess beeinflusst und eingeschränkt, wodurch der Leistungsbereich des bürstenlosen Permanentmagnet-Gleichstrommotors klein wird und die maximale Leistung nur einige zehn Kilowatt beträgt. Wenn das Permanentmagnetmaterial Vibrationen, hohen Temperaturen und Überlastströmen ausgesetzt ist, kann seine magnetische Permeabilität abnehmen oder sich entmagnetisieren, was die Leistung des Permanentmagnetmotors verringert und in schweren Fällen sogar den Motor beschädigt. Eine Überlastung tritt nicht auf. Im Konstantleistungsmodus ist der Betrieb des bürstenlosen Gleichstrommotors mit Permanentmagneten kompliziert und erfordert ein komplexes Steuersystem, was das Antriebssystem des bürstenlosen Gleichstrommotors mit Permanentmagneten sehr teuer macht.
2.4 Geschalteter Reluktanzmotor
2.4.1 Grundlegende Leistung eines geschalteten Reluktanzmotors
Der geschaltete Reluktanzmotor ist ein neuer Motortyp. Das System weist viele offensichtliche Merkmale auf: Sein Aufbau ist einfacher als bei jedem anderen Motor, und am Rotor des Motors befinden sich keine Schleifringe, Wicklungen und Permanentmagnete, sondern nur am Stator. Es gibt eine einfache konzentrierte Wicklung, die Enden der Wicklung sind kurz und es gibt keine Zwischenphasenbrücke, was leicht zu warten und zu reparieren ist. Daher ist die Zuverlässigkeit gut und die Geschwindigkeit kann 15.000 U/min erreichen. Der Wirkungsgrad kann 85 % bis 93 % erreichen, was höher ist als der von Wechselstrom-Induktionsmotoren. Der Verlust entsteht hauptsächlich im Stator und der Motor lässt sich leicht kühlen; Der Rotor ist ein Permanentmagnet, der über einen großen Drehzahlregelbereich und eine flexible Steuerung verfügt, wodurch verschiedene spezielle Anforderungen an Drehmoment-Drehzahl-Eigenschaften leicht erfüllt werden können und ein hoher Wirkungsgrad in einem weiten Bereich aufrechterhalten wird. Es ist besser für die Leistungsanforderungen von Elektrofahrzeugen geeignet.
2.4.2 Steuerungssystem für geschaltete Reluktanzmotoren
Geschaltete Reluktanzmotoren weisen ein hohes Maß an nichtlinearen Eigenschaften auf, weshalb ihr Antriebssystem komplexer ist. Sein Steuersystem umfasst einen Stromrichter.
A. Die Erregerwicklung des geschalteten Reluktanzmotors des StromrichtersUnabhängig vom Vorwärts- oder Rückwärtsstrom bleibt die Drehmomentrichtung unverändert und die Periode wird kommutiert. Jede Phase benötigt nur eine Leistungsschaltröhre mit geringerer Kapazität, und die Stromrichterschaltung ist relativ einfach, kein durchgehender Ausfall, gute Zuverlässigkeit, einfach zu implementierender Sanftanlauf und Vierquadrantenbetrieb des Systems sowie starke regenerative Bremsfähigkeit . Die Kosten sind niedriger als beim Wechselrichter-Steuerungssystem des dreiphasigen Wechselstrom-Induktionsmotors.
B. Regler
Der Controller besteht aus Mikroprozessoren, digitalen Logikschaltungen und anderen Komponenten. Entsprechend der Befehlseingabe des Fahrers analysiert und verarbeitet der Mikroprozessor gleichzeitig die Rotorposition des Motors, die vom Positionsdetektor und dem Stromdetektor zurückgemeldet wird, und trifft augenblicklich Entscheidungen und gibt eine Reihe von Ausführungsbefehlen an Steuerung des geschalteten Reluktanzmotors. Anpassung an den Betrieb von Elektrofahrzeugen unter unterschiedlichen Bedingungen. Die Leistung des Controllers und die Flexibilität der Anpassung hängen vom Leistungszusammenspiel zwischen der Software und der Hardware des Mikroprozessors ab.
C. Positionsdetektor
Geschaltete Reluktanzmotoren erfordern hochpräzise Positionsdetektoren, um dem Steuersystem Signale über Änderungen der Position, Geschwindigkeit und des Stroms des Motorrotors zu liefern, und erfordern eine höhere Schaltfrequenz, um das Geräusch des geschalteten Reluktanzmotors zu reduzieren.
2.4.3 Mängel geschalteter Reluktanzmotoren
Das Steuerungssystem des geschalteten Reluktanzmotors ist etwas komplizierter als die Steuerungssysteme anderer Motoren. Der Positionsdetektor ist die Schlüsselkomponente des geschalteten Reluktanzmotors und seine Leistung hat einen wichtigen Einfluss auf den Steuerbetrieb des geschalteten Reluktanzmotors. Da es sich bei dem geschalteten Reluktanzmotor um eine doppelt ausgeprägte Struktur handelt, kommt es zwangsläufig zu Drehmomentschwankungen, und Lärm ist der Hauptnachteil des geschalteten Reluktanzmotors. Untersuchungen der letzten Jahre haben jedoch gezeigt, dass die Geräusche des geschalteten Reluktanzmotors durch den Einsatz angemessener Konstruktions-, Fertigungs- und Steuerungstechnologien vollständig unterdrückt werden können.
Darüber hinaus muss aufgrund der großen Schwankung des Ausgangsdrehmoments des geschalteten Reluktanzmotors und der großen Schwankung des Gleichstroms des Leistungswandlers ein großer Filterkondensator am Gleichstrombus installiert werden.Autos haben in verschiedenen historischen Perioden unterschiedliche Elektromotoren eingeführt, wobei der Gleichstrommotor mit der besten Steuerungsleistung und den geringeren Kosten verwendet wurde. Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der Motortechnik, Maschinenbautechnik, Leistungselektroniktechnik und automatischen Steuerungstechnik, Wechselstrommotoren. Bürstenlose Gleichstrommotoren mit Permanentmagneten und geschaltete Reluktanzmotoren weisen gegenüber Gleichstrommotoren eine überlegene Leistung auf, und diese Motoren ersetzen nach und nach Gleichstrommotoren in Elektrofahrzeugen. Tabelle 1 vergleicht die grundsätzliche Leistung verschiedener Elektromotoren, die in modernen Elektrofahrzeugen verwendet werden. Derzeit sind die Kosten für Wechselstrommotoren, Permanentmagnetmotoren, geschaltete Reluktanzmotoren und deren Steuergeräte noch relativ hoch. Nach der Massenproduktion werden die Preise für diese Motoren und Steuergeräte rapide sinken, was den Anforderungen an wirtschaftliche Vorteile gerecht wird und den Preis für Elektrofahrzeuge senkt.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 24. März 2022