La coexistencia de los seres humanos con el medio ambiente y el desarrollo sostenible de la economía global hacen que las personas estén ansiosas por buscar un medio de transporte bajo en emisiones y eficiente en el uso de recursos, y el uso de vehículos eléctricos es sin duda una solución prometedora.
Los vehículos eléctricos modernos son productos integrales que integran diversas tecnologías de alta tecnología, como electricidad, electrónica, control mecánico, ciencia de materiales y tecnología química. El rendimiento operativo general, la economía, etc. dependen en primer lugar del sistema de batería y del sistema de control del motor. El sistema de propulsión del motor de un vehículo eléctrico consta generalmente de cuatro partes principales: el controlador. Convertidores de potencia, motores y sensores. En la actualidad, los motores utilizados en vehículos eléctricos generalmente incluyen motores de CC, motores de inducción, motores de reluctancia conmutada y motores sin escobillas de imanes permanentes.
1. Requisitos básicos de los vehículos eléctricos para motores eléctricos.
El funcionamiento de los vehículos eléctricos, a diferencia de las aplicaciones industriales generales, es muy complejo. Por lo tanto, los requisitos para el sistema de accionamiento son muy altos.
1.1 Los motores para vehículos eléctricos deben tener las características de gran potencia instantánea, gran capacidad de sobrecarga, coeficiente de sobrecarga de 3 a 4), buen rendimiento de aceleración y larga vida útil.
1.2 Los motores para vehículos eléctricos deberían tener un amplio rango de regulación de velocidad, incluyendo un área de par constante y un área de potencia constante. En el área de par constante, se requiere un par alto cuando se corre a baja velocidad para cumplir con los requisitos de arranque y ascenso; en el área de potencia constante, se requiere alta velocidad cuando se requiere un par bajo para cumplir con los requisitos de conducción a alta velocidad en carreteras planas. Requerir.
1.3 El motor eléctrico para vehículos eléctricos debe poder realizar un frenado regenerativo cuando el vehículo desacelera, recuperar y retroalimentar energía a la batería, de modo que el vehículo eléctrico tenga la mejor tasa de utilización de energía, que no se puede lograr en un vehículo con motor de combustión interna. .
1.4 El motor eléctrico para vehículos eléctricos debe tener una alta eficiencia en todo el rango operativo, a fin de mejorar el rango de crucero de una carga.
Además, también se requiere que el motor eléctrico para vehículos eléctricos tenga buena confiabilidad, pueda funcionar durante mucho tiempo en un entorno hostil, tenga una estructura simple y sea adecuado para la producción en masa, tenga poco ruido durante el funcionamiento y sea fácil de usar. y mantener, y es barato.
2 tipos y métodos de control de motores eléctricos para vehículos eléctricos
2.1 CC
Motores Las principales ventajas de los motores de CC con escobillas son un control sencillo y una tecnología madura. Tiene excelentes características de control incomparables con los motores de CA. En los primeros vehículos eléctricos desarrollados, se utilizan principalmente motores de CC e incluso ahora, algunos vehículos eléctricos todavía funcionan con motores de CC. Sin embargo, debido a la existencia de escobillas y conmutadores mecánicos, no sólo limita la mejora adicional de la capacidad de sobrecarga y velocidad del motor, sino que también requiere un mantenimiento frecuente y el reemplazo de escobillas y conmutadores si funciona durante mucho tiempo. Además, dado que la pérdida existe en el rotor, es difícil disipar el calor, lo que limita la mejora adicional de la relación par-masa del motor. En vista de los defectos anteriores de los motores de CC, los motores de CC básicamente no se utilizan en vehículos eléctricos de nuevo desarrollo.
Motor de inducción trifásico 2.2 CA
2.2.1 Rendimiento básico del motor de inducción trifásico de CA
Los motores de inducción trifásicos de CA son los motores más utilizados. El estator y el rotor están laminados con láminas de acero al silicio y no hay anillos colectores, conmutadores ni otros componentes que estén en contacto entre sí entre los estatores. Estructura simple, funcionamiento confiable y duradero. La cobertura de potencia del motor de inducción de CA es muy amplia y la velocidad alcanza 12000 ~ 15000 r/min. Se puede utilizar refrigeración por aire o refrigeración líquida, con un alto grado de libertad de refrigeración. Tiene buena adaptabilidad al medio ambiente y puede realizar un frenado por retroalimentación regenerativa. En comparación con el motor de CC de la misma potencia, la eficiencia es mayor, la calidad se reduce aproximadamente a la mitad, el precio es económico y el mantenimiento es conveniente.
2.2.2 El sistema de control
del motor de inducción de CA Debido a que el motor de inducción trifásico de CA no puede utilizar directamente la potencia de CC suministrada por la batería, y el motor de inducción trifásico de CA tiene características de salida no lineales. Por lo tanto, en un vehículo eléctrico que utiliza un motor de inducción trifásico de CA, es necesario utilizar el dispositivo semiconductor de potencia en el inversor para convertir la corriente continua en una corriente alterna cuya frecuencia y amplitud se pueden ajustar para realizar el control de la CA. motor trifásico. Existen principalmente métodos de control v/f y métodos de control de frecuencia de deslizamiento.
Usando el método de control vectorial, se controla la frecuencia de la corriente alterna del devanado de excitación del motor de inducción trifásico de CA y el ajuste del terminal del motor de inducción trifásico de CA de entrada, el flujo magnético y el par del campo magnético giratorio. del motor de inducción trifásico de CA se controlan y se realiza el cambio del motor de inducción trifásico de CA. La velocidad y el par de salida pueden cumplir con los requisitos de las características de cambio de carga y pueden obtener la mayor eficiencia, de modo que el motor de inducción trifásico de CA puede usarse ampliamente en vehículos eléctricos.
2.2.3 Deficiencias de
Motor de inducción trifásico de CA El consumo de energía del motor de inducción trifásico de CA es grande y el rotor es fácil de calentar. Es necesario garantizar la refrigeración del motor de inducción trifásico de CA durante el funcionamiento a alta velocidad; de lo contrario, el motor se dañará. El factor de potencia del motor de inducción trifásico de CA es bajo, por lo que el factor de potencia de entrada del dispositivo de conversión de frecuencia y voltaje también es bajo, por lo que es necesario utilizar un dispositivo de conversión de frecuencia y voltaje de gran capacidad. El coste del sistema de control del motor de inducción trifásico de CA es mucho mayor que el del propio motor de inducción trifásico de CA, lo que aumenta el coste del vehículo eléctrico. Además, la regulación de velocidad del motor de inducción trifásico de CA también es deficiente.
2.3 Motor CC sin escobillas de imán permanente
2.3.1 Rendimiento básico del motor CC sin escobillas de imán permanente
El motor CC sin escobillas de imán permanente es un motor de alto rendimiento. Su mayor característica es que tiene las características externas de un motor de CC sin una estructura de contacto mecánico compuesta por escobillas. Además, adopta un rotor de imán permanente y no hay pérdida de excitación: el devanado del inducido calentado está instalado en el estator exterior, que es fácil de disipar el calor. Por lo tanto, el motor de CC sin escobillas de imán permanente no tiene chispas de conmutación ni interferencias de radio, tiene una larga vida útil y un funcionamiento confiable. , fácil mantenimiento. Además, su velocidad no está limitada por conmutación mecánica y, si se utilizan cojinetes neumáticos o cojinetes de suspensión magnéticos, puede funcionar a varios cientos de miles de revoluciones por minuto. En comparación con el sistema de motor de CC sin escobillas de imán permanente, tiene mayor densidad de energía y mayor eficiencia, y tiene buenas perspectivas de aplicación en vehículos eléctricos.
2.3.2 El sistema de control del motor CC sin escobillas de imán permanente.
El típico motor de CC sin escobillas de imán permanente es un sistema de control vectorial de cuasi desacoplamiento. Dado que el imán permanente solo puede generar un campo magnético de amplitud fija, el sistema de motor de CC sin escobillas de imán permanente es muy importante. Es adecuado para funcionar en la región de par constante, generalmente utilizando el control de histéresis de corriente o el método SPWM de tipo retroalimentación de corriente para completarlo. Para ampliar aún más la velocidad, el motor de CC sin escobillas de imán permanente también puede utilizar un control de debilitamiento de campo. La esencia del control de debilitamiento de campo es hacer avanzar el ángulo de fase de la corriente de fase para proporcionar un potencial de desmagnetización de eje directo para debilitar el enlace de flujo en el devanado del estator.
2.3.3 Insuficiencia de
Motor CC sin escobillas de imán permanente El motor CC sin escobillas de imán permanente se ve afectado y restringido por el proceso del material del imán permanente, lo que hace que el rango de potencia del motor CC sin escobillas de imán permanente sea pequeño y la potencia máxima sea de solo decenas de kilovatios. Cuando el material del imán permanente se somete a vibración, alta temperatura y corriente de sobrecarga, su permeabilidad magnética puede disminuir o desmagnetizarse, lo que reducirá el rendimiento del motor de imán permanente e incluso dañará el motor en casos severos. No se produce sobrecarga. En el modo de potencia constante, el motor de CC sin escobillas de imán permanente es complicado de operar y requiere un sistema de control complejo, lo que hace que el sistema de accionamiento del motor de CC sin escobillas de imán permanente sea muy costoso.
2.4 Motor de reluctancia conmutada
2.4.1 Rendimiento básico del motor de reluctancia conmutada
El motor de reluctancia conmutada es un nuevo tipo de motor. El sistema tiene muchas características obvias: su estructura es más simple que la de cualquier otro motor y no hay anillos colectores, devanados ni imanes permanentes en el rotor del motor, sino solo en el estator. Hay un devanado concentrado simple, los extremos del devanado son cortos y no hay puente de interfaz, lo cual es fácil de mantener y reparar. Por lo tanto, la confiabilidad es buena y la velocidad puede alcanzar 15000 r/min. La eficiencia puede alcanzar del 85% al 93%, que es mayor que la de los motores de inducción de CA. La pérdida se produce principalmente en el estator y el motor es fácil de enfriar; el rotor es un imán permanente, que tiene un amplio rango de regulación de velocidad y control flexible, lo que permite cumplir fácilmente diversos requisitos especiales de características de par-velocidad y mantiene una alta eficiencia en un amplio rango. Es más adecuado para los requisitos de rendimiento energético de los vehículos eléctricos.
2.4.2 Sistema de control del motor de reluctancia conmutada
El motor de reluctancia conmutada tiene un alto grado de características no lineales, por lo que su sistema de accionamiento es más complejo. Su sistema de control incluye un convertidor de potencia.
a. El devanado de excitación del motor de reluctancia conmutada del convertidor de potencia., no importa la corriente directa o inversa, la dirección del par permanece sin cambios y el período se conmuta. Cada fase solo necesita un tubo de interruptor de alimentación con una capacidad menor, y el circuito convertidor de potencia es relativamente simple, sin fallas directas, buena confiabilidad, arranque suave fácil de implementar y operación del sistema en cuatro cuadrantes, y una fuerte capacidad de frenado regenerativo. . El costo es menor que el sistema de control del inversor del motor de inducción trifásico de CA.
b. Controlador
El controlador consta de microprocesadores, circuitos lógicos digitales y otros componentes. De acuerdo con el comando ingresado por el conductor, el microprocesador analiza y procesa la posición del rotor del motor retroalimentada por el detector de posición y el detector de corriente al mismo tiempo, toma decisiones en un instante y emite una serie de comandos de ejecución para controlar el motor de reluctancia conmutada. Adaptarse al funcionamiento de vehículos eléctricos en diferentes condiciones. El rendimiento del controlador y la flexibilidad de ajuste dependen de la cooperación de rendimiento entre el software y el hardware del microprocesador.
do. detector de posición
Los motores de reluctancia conmutada requieren detectores de posición de alta precisión para proporcionar al sistema de control señales de cambios en la posición, velocidad y corriente del rotor del motor, y requieren una frecuencia de conmutación más alta para reducir el ruido del motor de reluctancia conmutada.
2.4.3 Deficiencias de los motores de reluctancia conmutada
El sistema de control del motor de reluctancia conmutada es un poco más complicado que los sistemas de control de otros motores. El detector de posición es el componente clave del motor de reluctancia conmutada y su rendimiento tiene una influencia importante en la operación de control del motor de reluctancia conmutada. Dado que el motor de reluctancia conmutada es una estructura doblemente destacada, inevitablemente hay fluctuaciones de par y el ruido es la principal desventaja del motor de reluctancia conmutada. Sin embargo, las investigaciones de los últimos años han demostrado que el ruido del motor de reluctancia conmutada se puede suprimir por completo mediante la adopción de tecnología de diseño, fabricación y control razonable.
Además, debido a la gran fluctuación del par de salida del motor de reluctancia conmutada y la gran fluctuación de la corriente CC del convertidor de potencia, es necesario instalar un condensador de filtro grande en el bus de CC.Los automóviles han adoptado diferentes motores eléctricos en diferentes períodos históricos, utilizando el motor de CC con el mejor rendimiento de control y menor costo. Con el desarrollo continuo de la tecnología de motores, tecnología de fabricación de maquinaria, tecnología de electrónica de potencia y tecnología de control automático, motores de CA. Los motores de CC sin escobillas de imán permanente y los motores de reluctancia conmutada muestran un rendimiento superior a los motores de CC, y estos motores están reemplazando gradualmente a los motores de CC en los vehículos eléctricos. La Tabla 1 compara el rendimiento básico de varios motores eléctricos utilizados en vehículos eléctricos modernos. En la actualidad, el coste de los motores de corriente alterna, motores de imanes permanentes, motores de reluctancia conmutada y sus dispositivos de control sigue siendo relativamente alto. Después de la producción en masa, los precios de estos motores y dispositivos de control unitarios disminuirán rápidamente, lo que cumplirá con los requisitos de beneficios económicos y reducirá el precio de los vehículos eléctricos.
Hora de publicación: 24-mar-2022