Les véhicules électriques sont principalement composés de trois parties : le système d’entraînement moteur, le système de batterie et le système de contrôle du véhicule. Le système d'entraînement moteur est la partie qui convertit directement l'énergie électrique en énergie mécanique, ce qui détermine les indicateurs de performance des véhicules électriques. Le choix du moteur d’entraînement est donc particulièrement important.
Dans le domaine de la protection de l'environnement, les véhicules électriques sont également devenus un point chaud de la recherche ces dernières années. Les véhicules électriques peuvent produire des émissions nulles ou très faibles dans le trafic urbain et présentent d’énormes avantages dans le domaine de la protection de l’environnement. Tous les pays travaillent dur pour développer des véhicules électriques. Les véhicules électriques sont principalement composés de trois parties : le système d’entraînement moteur, le système de batterie et le système de contrôle du véhicule. Le système d'entraînement moteur est la partie qui convertit directement l'énergie électrique en énergie mécanique, ce qui détermine les indicateurs de performance des véhicules électriques. Le choix du moteur d’entraînement est donc particulièrement important.
1. Exigences pour les véhicules électriques pour les moteurs d'entraînement
À l’heure actuelle, l’évaluation des performances des véhicules électriques prend principalement en compte les trois indicateurs de performance suivants :
(1) Kilométrage maximum (km) : le kilométrage maximum du véhicule électrique une fois la batterie complètement chargée ;
(2) Capacité(s) d'accélération : le temps minimum requis pour qu'un véhicule électrique accélère depuis l'arrêt jusqu'à une certaine vitesse ;
(3) Vitesse maximale (km/h) : vitesse maximale que peut atteindre un véhicule électrique.
Les moteurs conçus pour les caractéristiques de conduite des véhicules électriques ont des exigences de performances particulières par rapport aux moteurs industriels :
(1) Le moteur d'entraînement du véhicule électrique nécessite généralement des exigences de performances dynamiques élevées pour des démarrages/arrêts fréquents, des accélérations/décélérations et un contrôle du couple ;
(2) Afin de réduire le poids de l'ensemble du véhicule, la transmission à plusieurs vitesses est généralement supprimée, ce qui nécessite que le moteur puisse fournir un couple plus élevé à basse vitesse ou lors de la montée d'une pente, et puisse généralement résister 4 à 5 fois la surcharge ;
(3) La plage de régulation de vitesse doit être aussi grande que possible, et en même temps, il est nécessaire de maintenir une efficacité de fonctionnement élevée dans toute la plage de régulation de vitesse ;
(4) Le moteur est conçu pour avoir une vitesse nominale élevée autant que possible, et en même temps, un boîtier en alliage d'aluminium est utilisé autant que possible. Le moteur à grande vitesse est de petite taille, ce qui favorise la réduction du poids des véhicules électriques ;
(5) Les véhicules électriques devraient avoir une utilisation optimale de l'énergie et avoir la fonction de récupération de l'énergie de freinage. L'énergie récupérée par le freinage récupératif doit généralement atteindre 10 à 20 % de l'énergie totale ;
(6) L'environnement de travail du moteur utilisé dans les véhicules électriques est plus complexe et plus rude, ce qui nécessite que le moteur ait une bonne fiabilité et une bonne adaptabilité environnementale, tout en garantissant que le coût de production du moteur ne peut pas être trop élevé.
2. Plusieurs moteurs d'entraînement couramment utilisés
2.1 Moteur à courant continu
Au début du développement des véhicules électriques, la plupart des véhicules électriques utilisaient des moteurs à courant continu comme moteurs d’entraînement. Ce type de technologie de moteur est relativement mature, avec des méthodes de contrôle simples et une excellente régulation de vitesse. Il était autrefois le plus utilisé dans le domaine des moteurs à régulation de vitesse. . Cependant, en raison de la structure mécanique complexe du moteur à courant continu, telle que : les balais et les collecteurs mécaniques, sa capacité de surcharge instantanée et l'augmentation supplémentaire de la vitesse du moteur sont limitées, et dans le cas d'un travail à long terme, la structure mécanique de le moteur sera Des pertes sont générées et les coûts de maintenance sont augmentés. De plus, lorsque le moteur tourne, les étincelles provenant des balais font chauffer le rotor, gaspillent de l'énergie, rendent difficile la dissipation de la chaleur et provoquent également des interférences électromagnétiques à haute fréquence, qui affectent les performances du véhicule. En raison des défauts ci-dessus des moteurs à courant continu, les véhicules électriques actuels ont pratiquement éliminé les moteurs à courant continu.
2.2 Moteur asynchrone à courant alternatif
Le moteur asynchrone à courant alternatif est un type de moteur largement utilisé dans l’industrie. Il se caractérise en ce que le stator et le rotor sont laminés par des tôles d'acier au silicium. Les deux extrémités sont emballées dans des couvercles en aluminium. , fonctionnement fiable et durable, entretien facile. Comparé au moteur à courant continu de même puissance, le moteur asynchrone à courant alternatif est plus efficace et sa masse est environ moitié plus légère. Si la méthode de contrôle vectoriel est adoptée, la contrôlabilité et la plage de régulation de vitesse plus large comparable à celle du moteur à courant continu peuvent être obtenues. En raison des avantages d'un rendement élevé, d'une puissance spécifique élevée et de leur aptitude à un fonctionnement à grande vitesse, les moteurs asynchrones à courant alternatif sont les moteurs les plus largement utilisés dans les véhicules électriques de haute puissance. À l'heure actuelle, les moteurs asynchrones à courant alternatif sont produits à grande échelle et il existe différents types de produits matures parmi lesquels choisir. Cependant, dans le cas d'un fonctionnement à grande vitesse, le rotor du moteur est fortement chauffé et le moteur doit être refroidi pendant le fonctionnement. Dans le même temps, le système d’entraînement et de contrôle du moteur asynchrone est très compliqué et le coût du corps du moteur est également élevé. Par rapport au moteur à aimant permanent et à la réluctance commutée Pour les moteurs, le rendement et la densité de puissance des moteurs asynchrones sont faibles, ce qui n'est pas propice à l'amélioration du kilométrage maximal des véhicules électriques.
2.3 Moteur à aimant permanent
Les moteurs à aimants permanents peuvent être divisés en deux types en fonction des différentes formes d'onde de courant des enroulements du stator : l'un est un moteur à courant continu sans balais, qui a un courant d'onde d'impulsion rectangulaire ; l'autre est un moteur synchrone à aimant permanent, qui a un courant sinusoïdal. Les deux types de moteurs sont fondamentalement identiques en termes de structure et de principe de fonctionnement. Les rotors sont des aimants permanents, ce qui réduit les pertes provoquées par l'excitation. Le stator est équipé d'enroulements pour générer un couple via un courant alternatif, le refroidissement est donc relativement facile. Étant donné que ce type de moteur n'a pas besoin d'installer de balais ni de structure de commutation mécanique, aucune étincelle de commutation ne sera générée pendant le fonctionnement, le fonctionnement est sûr et fiable, la maintenance est pratique et le taux d'utilisation de l'énergie est élevé.
Le système de contrôle du moteur à aimant permanent est plus simple que le système de contrôle du moteur asynchrone à courant alternatif. Cependant, en raison de la limitation du processus de matériau à aimant permanent, la plage de puissance du moteur à aimant permanent est petite et la puissance maximale n'est généralement que de dizaines de millions, ce qui constitue le plus gros inconvénient du moteur à aimant permanent. Dans le même temps, le matériau de l'aimant permanent sur le rotor présentera un phénomène de dégradation magnétique dans des conditions de température élevée, de vibration et de surintensité. Ainsi, dans des conditions de travail relativement complexes, le moteur à aimant permanent est susceptible d'être endommagé. De plus, le prix des matériaux à aimants permanents est élevé, de sorte que le coût de l'ensemble du moteur et de son système de contrôle est élevé.
2.4 Moteur à réluctance commutée
En tant que nouveau type de moteur, le moteur à réluctance commutée présente la structure la plus simple par rapport aux autres types de moteurs d'entraînement. Le stator et le rotor sont tous deux des structures à double saillie constituées de tôles d'acier au silicium ordinaires. Il n'y a aucune structure sur le rotor. Le stator est équipé d'un enroulement concentré simple, qui présente de nombreux avantages tels qu'une structure simple et solide, une fiabilité élevée, un poids léger, un faible coût, un rendement élevé, une faible élévation de température et un entretien facile. De plus, il présente les excellentes caractéristiques d'une bonne contrôlabilité du système de contrôle de vitesse à courant continu, convient aux environnements difficiles et est très approprié pour une utilisation comme moteur d'entraînement pour véhicules électriques.
Considérant que, comme les moteurs d'entraînement de véhicules électriques, les moteurs à courant continu et les moteurs à aimant permanent ont une faible adaptabilité en termes de structure et d'environnement de travail complexe, et sont sujets à des pannes mécaniques et de démagnétisation, cet article se concentre sur l'introduction de moteurs à réluctance commutée et de moteurs asynchrones à courant alternatif. Par rapport à la machine, elle présente des avantages évidents dans les aspects suivants.
2.4.1 La structure du corps moteur
La structure du moteur à réluctance commutée est plus simple que celle du moteur à induction à cage d'écureuil. Son avantage exceptionnel est qu'il n'y a pas d'enroulement sur le rotor et qu'il est uniquement constitué de tôles d'acier au silicium ordinaires. La majeure partie des pertes de l'ensemble du moteur est concentrée sur l'enroulement du stator, ce qui rend le moteur simple à fabriquer, présente une bonne isolation, est facile à refroidir et présente d'excellentes caractéristiques de dissipation thermique. Cette structure de moteur peut réduire la taille et le poids du moteur, et peut être obtenue avec un petit volume. puissance de sortie plus grande. En raison de la bonne élasticité mécanique du rotor du moteur, les moteurs à réluctance commutée peuvent être utilisés pour un fonctionnement à ultra-haute vitesse.
2.4.2 Circuit d'entraînement du moteur
Le courant de phase du système d'entraînement du moteur à réluctance commutée est unidirectionnel et n'a rien à voir avec la direction du couple, et un seul dispositif de commutation principal peut être utilisé pour répondre à l'état de fonctionnement à quatre quadrants du moteur. Le circuit convertisseur de puissance est directement connecté en série avec l'enroulement d'excitation du moteur, et chaque circuit de phase fournit de l'énergie indépendamment. Même si un certain enroulement de phase ou le contrôleur du moteur tombe en panne, il suffit d'arrêter le fonctionnement de la phase sans provoquer d'impact plus important. Par conséquent, le corps du moteur et le convertisseur de puissance sont très sûrs et fiables, ils sont donc plus adaptés à une utilisation dans des environnements difficiles que les machines asynchrones.
2.4.3 Aspects de performance du système moteur
Les moteurs à réluctance commutée ont de nombreux paramètres de contrôle, et il est facile de répondre aux exigences du fonctionnement à quatre quadrants des véhicules électriques grâce à des stratégies de contrôle et une conception de système appropriées, et peuvent maintenir une excellente capacité de freinage dans les zones d'exploitation à grande vitesse. Les moteurs à réluctance commutée ont non seulement un rendement élevé, mais maintiennent également un rendement élevé sur une large plage de régulation de vitesse, inégalée par d'autres types de systèmes d'entraînement de moteur. Cette performance est très adaptée au fonctionnement des véhicules électriques, et est très bénéfique pour améliorer l'autonomie de croisière des véhicules électriques.
3. Conclusion
L'objectif de cet article est de mettre en avant les avantages du moteur à réluctance commutée en tant que moteur d'entraînement pour véhicules électriques en comparant divers systèmes de contrôle de vitesse de moteur d'entraînement couramment utilisés, ce qui constitue un point chaud de la recherche dans le développement de véhicules électriques. Pour ce type de moteur spécial, il reste encore beaucoup de marge de développement dans des applications pratiques. Les chercheurs doivent faire davantage d'efforts pour mener des recherches théoriques, et en même temps, il est nécessaire de combiner les besoins du marché pour promouvoir l'application pratique de ce type de moteur.
Heure de publication : 24 mars 2022