La coexistence des êtres humains avec l'environnement et le développement durable de l'économie mondiale incitent les gens à rechercher un moyen de transport à faibles émissions et économe en ressources, et l'utilisation de véhicules électriques est sans aucun doute une solution prometteuse.
Les véhicules électriques modernes sont des produits complets qui intègrent diverses technologies de haute technologie telles que l'électricité, l'électronique, le contrôle mécanique, la science des matériaux et la technologie chimique. Les performances de fonctionnement globales, l'économie, etc. dépendent en premier lieu du système de batterie et du système de commande d'entraînement du moteur. Le système de motorisation d’un véhicule électrique se compose généralement de quatre parties principales, à savoir le contrôleur. Convertisseurs de puissance, moteurs et capteurs. À l'heure actuelle, les moteurs utilisés dans les véhicules électriques comprennent généralement des moteurs à courant continu, des moteurs à induction, des moteurs à réluctance commutée et des moteurs sans balais à aimant permanent.
1. Exigences de base des véhicules électriques pour les moteurs électriques
Le fonctionnement des véhicules électriques, contrairement aux applications industrielles générales, est très complexe. Les exigences en matière de système d'entraînement sont donc très élevées.
1.1 Les moteurs pour véhicules électriques doivent avoir les caractéristiques d'une grande puissance instantanée, d'une forte capacité de surcharge, d'un coefficient de surcharge de 3 à 4), de bonnes performances d'accélération et d'une longue durée de vie.
1.2 Les moteurs pour véhicules électriques doivent disposer d'une large plage de régulation de vitesse, y compris une zone de couple constant et une zone de puissance constante. Dans la zone de couple constant, un couple élevé est requis lors du fonctionnement à basse vitesse pour répondre aux exigences de démarrage et de montée ; dans le domaine de puissance constante, une vitesse élevée est requise lorsqu'un faible couple est requis pour répondre aux exigences de conduite à grande vitesse sur des routes plates. Exiger.
1.3 Le moteur électrique pour véhicules électriques devrait être capable de réaliser un freinage par récupération lorsque le véhicule décélère, de récupérer et de renvoyer de l'énergie à la batterie, de sorte que le véhicule électrique ait le meilleur taux d'utilisation d'énergie, ce qui ne peut pas être obtenu dans le véhicule à moteur à combustion interne. .
1.4 Le moteur électrique des véhicules électriques doit avoir un rendement élevé sur toute la plage de fonctionnement, afin d'améliorer l'autonomie de croisière d'une seule charge.
En outre, il est également requis que le moteur électrique pour véhicules électriques ait une bonne fiabilité, puisse fonctionner longtemps dans un environnement difficile, ait une structure simple et soit adapté à la production de masse, ait un faible bruit pendant le fonctionnement et soit facile à utiliser. et entretenir, et est bon marché.
2 types et méthodes de contrôle de moteurs électriques pour véhicules électriques
2.1 DC
Moteurs Les principaux avantages des moteurs à courant continu à balais sont un contrôle simple et une technologie mature. Il possède d'excellentes caractéristiques de contrôle inégalées par les moteurs à courant alternatif. Dans les premiers véhicules électriques développés, les moteurs à courant continu sont principalement utilisés, et même aujourd'hui, certains véhicules électriques sont encore entraînés par des moteurs à courant continu. Cependant, en raison de l'existence de balais et de collecteurs mécaniques, cela limite non seulement l'amélioration supplémentaire de la capacité de surcharge et de la vitesse du moteur, mais nécessite également un entretien et un remplacement fréquents des balais et des collecteurs s'il fonctionne pendant une longue période. De plus, comme la perte existe sur le rotor, il est difficile de dissiper la chaleur, ce qui limite l'amélioration ultérieure du rapport couple/masse du moteur. Compte tenu des défauts ci-dessus des moteurs à courant continu, les moteurs à courant continu ne sont pratiquement pas utilisés dans les véhicules électriques nouvellement développés.
Moteur à induction triphasé 2.2 AC
2.2.1 Performances de base du moteur à induction triphasé à courant alternatif
Les moteurs à induction triphasés à courant alternatif sont les moteurs les plus utilisés. Le stator et le rotor sont laminés avec des tôles d'acier au silicium et il n'y a pas de bagues collectrices, de collecteurs et d'autres composants en contact les uns avec les autres entre les stators. Structure simple, fonctionnement fiable et durable. La couverture de puissance du moteur à induction AC est très large et la vitesse atteint 12 000 ~ 15 000 tr/min. Le refroidissement par air ou par liquide peut être utilisé, avec un degré élevé de liberté de refroidissement. Il a une bonne adaptabilité à l'environnement et peut réaliser un freinage par rétroaction régénérative. Par rapport au moteur à courant continu de même puissance, l'efficacité est plus élevée, la qualité est réduite d'environ la moitié, le prix est bon marché et la maintenance est pratique.
2.2.2 Le système de contrôle
du moteur à induction CA Parce que le moteur à induction triphasé CA ne peut pas utiliser directement l'alimentation CC fournie par la batterie et que le moteur à induction triphasé CA a des caractéristiques de sortie non linéaires. Par conséquent, dans un véhicule électrique utilisant un moteur à induction triphasé à courant alternatif, il est nécessaire d'utiliser le dispositif à semi-conducteur de puissance dans l'onduleur pour convertir le courant continu en un courant alternatif dont la fréquence et l'amplitude peuvent être ajustées pour réaliser le contrôle du courant alternatif. moteur triphasé. Il existe principalement une méthode de contrôle v/f et une méthode de contrôle de fréquence de glissement.
À l'aide de la méthode de contrôle vectoriel, la fréquence du courant alternatif de l'enroulement d'excitation du moteur à induction triphasé à courant alternatif et le réglage des bornes du moteur à induction triphasé à courant alternatif d'entrée sont contrôlés, le flux magnétique et le couple du champ magnétique tournant du moteur à induction triphasé à courant alternatif sont contrôlés et le changement du moteur à induction triphasé à courant alternatif est réalisé. La vitesse et le couple de sortie peuvent répondre aux exigences des caractéristiques de changement de charge et peuvent obtenir le rendement le plus élevé, de sorte que le moteur à induction triphasé à courant alternatif puisse être largement utilisé dans les véhicules électriques.
2.2.3 Lacunes de
Moteur à induction triphasé AC La consommation électrique du moteur à induction triphasé AC est importante et le rotor est facile à chauffer. Il est nécessaire d'assurer le refroidissement du moteur à induction triphasé AC pendant le fonctionnement à grande vitesse, sinon le moteur sera endommagé. Le facteur de puissance du moteur à induction triphasé à courant alternatif est faible, de sorte que le facteur de puissance d'entrée du dispositif de conversion de fréquence et de conversion de tension est également faible, il est donc nécessaire d'utiliser un dispositif de conversion de fréquence et de conversion de tension de grande capacité. Le coût du système de contrôle du moteur à induction triphasé à courant alternatif est beaucoup plus élevé que celui du moteur à induction triphasé à courant alternatif lui-même, ce qui augmente le coût du véhicule électrique. De plus, la régulation de vitesse du moteur à induction triphasé à courant alternatif est également mauvaise.
2.3 Moteur CC sans balais à aimant permanent
2.3.1 Performances de base du moteur à courant continu sans balais à aimant permanent
Le moteur CC sans balais à aimant permanent est un moteur haute performance. Sa plus grande caractéristique est qu'il présente les caractéristiques externes d'un moteur à courant continu sans structure de contact mécanique composée de balais. De plus, il adopte un rotor à aimant permanent et il n'y a aucune perte d'excitation : l'enroulement d'induit chauffé est installé sur le stator externe, ce qui permet de dissiper facilement la chaleur. Par conséquent, le moteur à courant continu sans balais à aimant permanent ne présente aucune étincelle de commutation, aucune interférence radio, une longue durée de vie et un fonctionnement fiable. , entretien facile. De plus, sa vitesse n'est pas limitée par une commutation mécanique et si l'on utilise des roulements à air ou des roulements à suspension magnétique, il peut tourner jusqu'à plusieurs centaines de milliers de tours par minute. Comparé au système de moteur à courant continu sans balais à aimant permanent, il a une densité énergétique et un rendement plus élevés, et a de bonnes perspectives d'application dans les véhicules électriques.
2.3.2 Le système de contrôle du moteur à courant continu sans balais à aimant permanent
Le moteur à courant continu sans balais à aimant permanent typique est un système de contrôle vectoriel quasi-découplage. Étant donné que l'aimant permanent ne peut générer qu'un champ magnétique d'amplitude fixe, le système de moteur à courant continu sans balais à aimant permanent est très important. Il convient pour fonctionner dans la région de couple constant, généralement en utilisant le contrôle d'hystérésis de courant ou la méthode SPWM de type rétroaction de courant pour compléter. Afin d'augmenter encore la vitesse, le moteur à courant continu sans balais à aimant permanent peut également utiliser un contrôle d'affaiblissement de champ. L'essence du contrôle d'affaiblissement de champ est d'avancer l'angle de phase du courant de phase pour fournir un potentiel de démagnétisation à axe direct afin d'affaiblir la liaison de flux dans l'enroulement du stator.
2.3.3 Insuffisance de
Moteur CC sans balais à aimant permanent Le moteur CC sans balais à aimant permanent est affecté et limité par le processus de matériau à aimant permanent, ce qui rend la plage de puissance du moteur CC sans balais à aimant permanent petite et la puissance maximale n'est que de dizaines de kilowatts. Lorsque le matériau de l'aimant permanent est soumis à des vibrations, à des températures élevées et à un courant de surcharge, sa perméabilité magnétique peut diminuer ou se démagnétiser, ce qui réduira les performances du moteur à aimant permanent et même endommagera le moteur dans les cas graves. La surcharge ne se produit pas. En mode puissance constante, le moteur à courant continu sans balais à aimant permanent est compliqué à utiliser et nécessite un système de contrôle complexe, ce qui rend le système d'entraînement du moteur à courant continu sans balais à aimant permanent très coûteux.
2.4 Moteur à réluctance commutée
2.4.1 Performances de base du moteur à réluctance commutée
Le moteur à réluctance commutée est un nouveau type de moteur. Le système présente de nombreuses caractéristiques évidentes : sa structure est plus simple que celle de tout autre moteur, et il n'y a pas de bagues collectrices, d'enroulements et d'aimants permanents sur le rotor du moteur, mais uniquement sur le stator. Il existe un simple enroulement concentré, les extrémités de l'enroulement sont courtes et il n'y a pas de cavalier interphase, facile à entretenir et à réparer. Par conséquent, la fiabilité est bonne et la vitesse peut atteindre 15 000 tr/min. Le rendement peut atteindre 85 % à 93 %, ce qui est supérieur à celui des moteurs à induction AC. La perte se situe principalement dans le stator et le moteur est facile à refroidir ; le rotor est un aimant permanent, doté d'une large plage de régulation de vitesse et d'un contrôle flexible, qui permet de répondre facilement à diverses exigences particulières en matière de caractéristiques de couple-vitesse et de maintenir un rendement élevé dans une large plage. Il est plus adapté aux exigences de performances énergétiques des véhicules électriques.
2.4.2 Système de commande de moteur à réluctance commutée
Le moteur à réluctance commutée présente un degré élevé de caractéristiques non linéaires, son système d'entraînement est donc plus complexe. Son système de contrôle comprend un convertisseur de puissance.
un. L'enroulement d'excitation du moteur à réluctance commutée du convertisseur de puissance, quel que soit le courant direct ou le courant inverse, la direction du couple reste inchangée et la période est commutée. Chaque phase n'a besoin que d'un tube de commutation de puissance avec une capacité plus petite, et le circuit du convertisseur de puissance est relativement simple, pas de panne directe, bonne fiabilité, démarrage progressif facile à mettre en œuvre et fonctionnement à quatre quadrants du système, et forte capacité de freinage par récupération. . Le coût est inférieur à celui du système de contrôle de l'onduleur du moteur à induction triphasé AC.
b. Contrôleur
Le contrôleur se compose de microprocesseurs, de circuits logiques numériques et d'autres composants. Selon la commande entrée par le conducteur, le microprocesseur analyse et traite simultanément la position du rotor du moteur renvoyée par le détecteur de position et le détecteur de courant, prend des décisions en un instant et émet une série de commandes d'exécution pour contrôler le moteur à réluctance commutée. S'adapter au fonctionnement des véhicules électriques dans différentes conditions. Les performances du contrôleur et la flexibilité de réglage dépendent de la coopération en matière de performances entre le logiciel et le matériel du microprocesseur.
c. Détecteur de position
Les moteurs à réluctance commutée nécessitent des détecteurs de position de haute précision pour fournir au système de contrôle des signaux de changements de position, de vitesse et de courant du rotor du moteur, et nécessitent une fréquence de commutation plus élevée pour réduire le bruit du moteur à réluctance commutée.
2.4.3 Lacunes des moteurs à réluctance commutée
Le système de contrôle du moteur à réluctance commutée est un peu plus compliqué que les systèmes de contrôle des autres moteurs. Le détecteur de position est l'élément clé du moteur à réluctance commutée et ses performances ont une influence importante sur le fonctionnement de contrôle du moteur à réluctance commutée. Étant donné que le moteur à réluctance commutée est une structure doublement saillante, il y a inévitablement une fluctuation du couple et le bruit est le principal inconvénient du moteur à réluctance commutée. Cependant, les recherches menées ces dernières années ont montré que le bruit du moteur à réluctance commutée peut être complètement supprimé en adoptant une technologie de conception, de fabrication et de contrôle raisonnable.
De plus, en raison de la grande fluctuation du couple de sortie du moteur à réluctance commutée et de la grande fluctuation du courant continu du convertisseur de puissance, un grand condensateur de filtrage doit être installé sur le bus CC.Les voitures ont adopté différents moteurs électriques au cours de différentes périodes historiques, en utilisant le moteur à courant continu offrant les meilleures performances de contrôle et un coût inférieur. Avec le développement continu de la technologie des moteurs, de la technologie de fabrication de machines, de la technologie de l'électronique de puissance et de la technologie de contrôle automatique, les moteurs à courant alternatif. Les moteurs à courant continu sans balais à aimant permanent et les moteurs à réluctance commutée affichent des performances supérieures à celles des moteurs à courant continu, et ces moteurs remplacent progressivement les moteurs à courant continu dans les véhicules électriques. Le tableau 1 compare les performances de base de divers moteurs électriques utilisés dans les véhicules électriques modernes. À l'heure actuelle, le coût des moteurs à courant alternatif, des moteurs à aimants permanents, des moteurs à réluctance commutée et de leurs dispositifs de commande est encore relativement élevé. Après la production en série, les prix de ces moteurs et dispositifs de commande des unités diminueront rapidement, ce qui répondra aux exigences d'avantages économiques et fera baisser le prix des véhicules électriques.
Heure de publication : 24 mars 2022