Confronto di vari motori per veicoli elettrici

La convivenza degli esseri umani con l’ambiente e lo sviluppo sostenibile dell’economia globale rendono le persone desiderose di cercare un mezzo di trasporto a basse emissioni ed efficiente in termini di risorse, e l’uso di veicoli elettrici è senza dubbio una soluzione promettente.

I moderni veicoli elettrici sono prodotti completi che integrano varie tecnologie high-tech come elettricità, elettronica, controllo meccanico, scienza dei materiali e tecnologia chimica. Le prestazioni operative complessive, l'economia, ecc. dipendono innanzitutto dal sistema di batteria e dal sistema di controllo della trasmissione del motore. Il sistema di azionamento del motore di un veicolo elettrico è generalmente composto da quattro parti principali, vale a dire il controller. Convertitori di potenza, motori e sensori. Attualmente, i motori utilizzati nei veicoli elettrici comprendono generalmente motori CC, motori a induzione, motori a riluttanza commutata e motori brushless a magneti permanenti.

1. Requisiti di base dei veicoli elettrici per motori elettrici

Il funzionamento dei veicoli elettrici, a differenza delle applicazioni industriali generali, è molto complesso. Pertanto i requisiti per il sistema di azionamento sono molto elevati.

1.1 I motori per veicoli elettrici dovrebbero avere le caratteristiche di grande potenza istantanea, forte capacità di sovraccarico, coefficiente di sovraccarico da 3 a 4), buone prestazioni di accelerazione e lunga durata.

1.2 I motori per i veicoli elettrici dovrebbero avere un'ampia gamma di regolazione della velocità, compresa l'area di coppia costante e l'area di potenza costante. Nell'area della coppia costante, è necessaria una coppia elevata durante la corsa a bassa velocità per soddisfare i requisiti di partenza e salita; nell'area di potenza costante, è richiesta un'alta velocità quando è necessaria una coppia bassa per soddisfare i requisiti della guida ad alta velocità su strade pianeggianti. Richiedere.

1.3 Il motore elettrico per i veicoli elettrici dovrebbe essere in grado di realizzare una frenata rigenerativa quando il veicolo decelera, recuperare e restituire energia alla batteria, in modo che il veicolo elettrico abbia il miglior tasso di utilizzo dell'energia, che non può essere raggiunto nel veicolo con motore a combustione interna .

1.4 Il motore elettrico per i veicoli elettrici dovrebbe avere un'elevata efficienza nell'intero intervallo operativo, in modo da migliorare l'autonomia di crociera con una carica.

Inoltre, è richiesto anche che il motore elettrico per veicoli elettrici abbia una buona affidabilità, possa funzionare a lungo in un ambiente difficile, abbia una struttura semplice ed sia adatto alla produzione di massa, abbia un basso rumore durante il funzionamento, sia facile da usare e mantenere, ed è economico.

2 Tipi e metodi di controllo dei motori elettrici per veicoli elettrici
2.1 CC
Motori I principali vantaggi dei motori DC con spazzole sono il controllo semplice e la tecnologia matura. Ha eccellenti caratteristiche di controllo ineguagliate dai motori CA. Nei primi veicoli elettrici sviluppati, venivano utilizzati principalmente motori CC e anche adesso alcuni veicoli elettrici sono ancora guidati da motori CC. Tuttavia, a causa della presenza di spazzole e commutatori meccanici, non solo limita l'ulteriore miglioramento della capacità di sovraccarico e della velocità del motore, ma richiede anche frequenti manutenzioni e sostituzioni di spazzole e commutatori se funziona a lungo. Inoltre, poiché la perdita esiste sul rotore, è difficile dissipare il calore, il che limita l'ulteriore miglioramento del rapporto coppia/massa del motore. Considerati i difetti sopra menzionati dei motori DC, i motori DC sostanzialmente non vengono utilizzati nei veicoli elettrici di nuova concezione.

2.2 Motore a induzione trifase CA

2.2.1 Prestazioni di base del motore a induzione trifase CA

I motori a induzione trifase CA sono i motori più utilizzati. Lo statore e il rotore sono laminati con fogli di acciaio al silicio e non sono presenti anelli collettori, commutatori e altri componenti in contatto tra loro tra gli statori. Struttura semplice, funzionamento affidabile e durevole. La copertura di potenza del motore a induzione CA è molto ampia e la velocità raggiunge 12.000 ~ 15.000 giri/min. È possibile utilizzare il raffreddamento ad aria o il raffreddamento a liquido, con un elevato grado di libertà di raffreddamento. Ha una buona adattabilità all'ambiente e può realizzare una frenata con feedback rigenerativo. Rispetto al motore CC della stessa potenza, l'efficienza è maggiore, la qualità è ridotta di circa la metà, il prezzo è economico e la manutenzione è conveniente.

2.2.2 Il sistema di controllo

del motore a induzione CA Poiché il motore a induzione trifase CA non può utilizzare direttamente l'alimentazione CC fornita dalla batteria e il motore a induzione trifase CA ha caratteristiche di uscita non lineari. Pertanto, in un veicolo elettrico che utilizza un motore a induzione trifase CA, è necessario utilizzare il dispositivo a semiconduttore di potenza nell'inverter per convertire la corrente continua in una corrente alternata la cui frequenza e ampiezza possono essere regolate per realizzare il controllo della corrente alternata. motore trifase. Esistono principalmente il metodo di controllo v/f e il metodo di controllo della frequenza di scorrimento.

Utilizzando il metodo di controllo vettoriale, vengono controllati la frequenza della corrente alternata dell'avvolgimento di eccitazione del motore a induzione trifase CA e la regolazione del terminale del motore a induzione trifase CA in ingresso, il flusso magnetico e la coppia del campo magnetico rotante del motore a induzione trifase CA sono controllati e viene realizzato il cambiamento del motore a induzione trifase CA. La velocità e la coppia di uscita possono soddisfare i requisiti delle caratteristiche di variazione del carico e possono ottenere la massima efficienza, in modo che il motore a induzione trifase CA possa essere ampiamente utilizzato nei veicoli elettrici.

2.2.3 Carenze di

Motore a induzione trifase CA Il consumo energetico del motore a induzione trifase CA è elevato e il rotore è facile da riscaldare. È necessario garantire il raffreddamento del motore a induzione trifase CA durante il funzionamento ad alta velocità, altrimenti il ​​motore verrà danneggiato. Il fattore di potenza del motore a induzione trifase CA è basso, quindi anche il fattore di potenza in ingresso del dispositivo di conversione di frequenza e di conversione di tensione è basso, quindi è necessario utilizzare un dispositivo di conversione di frequenza e di conversione di tensione di grande capacità. Il costo del sistema di controllo del motore a induzione trifase CA è molto più elevato di quello del motore a induzione trifase CA stesso, il che aumenta il costo del veicolo elettrico. Inoltre, anche la regolazione della velocità del motore a induzione CA trifase è scarsa.

2.3 Motore CC senza spazzole a magnete permanente

2.3.1 Prestazioni di base del motore CC senza spazzole a magneti permanenti

Il motore CC senza spazzole a magnete permanente è un motore ad alte prestazioni. La sua più grande caratteristica è che ha le caratteristiche esterne di un motore DC senza una struttura di contatto meccanico composta da spazzole. Inoltre, adotta un rotore a magnete permanente e non vi è alcuna perdita di eccitazione: l'avvolgimento dell'armatura riscaldato è installato sullo statore esterno, che è facile da dissipare il calore. Pertanto, il motore CC senza spazzole a magnete permanente non presenta scintille di commutazione, interferenze radio, lunga durata e funzionamento affidabile. , facile manutenzione. Inoltre, la sua velocità non è limitata dalla commutazione meccanica e, se vengono utilizzati cuscinetti ad aria o cuscinetti a sospensione magnetica, può raggiungere fino a diverse centinaia di migliaia di giri al minuto. Rispetto al sistema motore DC brushless a magnete permanente, ha una maggiore densità di energia ed efficienza più elevata e ha buone prospettive di applicazione nei veicoli elettrici.

2.3.2 Il sistema di controllo del motore CC senza spazzole a magnete permanente Il

il tipico motore CC senza spazzole a magnete permanente è un sistema di controllo vettoriale quasi disaccoppiante. Poiché il magnete permanente può generare solo un campo magnetico di ampiezza fissa, il sistema di motore CC senza spazzole a magnete permanente è molto importante. È adatto per il funzionamento nella regione di coppia costante, generalmente utilizzando il controllo dell'isteresi di corrente o il metodo SPWM di tipo feedback di corrente per il completamento. Per espandere ulteriormente la velocità, il motore CC senza spazzole a magnete permanente può anche utilizzare il controllo dell'indebolimento del campo. L'essenza del controllo dell'indebolimento di campo è quella di far avanzare l'angolo di fase della corrente di fase per fornire un potenziale di smagnetizzazione dell'asse diretto per indebolire il collegamento di flusso nell'avvolgimento dello statore.

2.3.3 Insufficienza di

Motore CC senza spazzole a magnete permanente Il motore CC senza spazzole a magnete permanente è influenzato e limitato dal processo del materiale a magnete permanente, che rende la gamma di potenza del motore CC senza spazzole a magnete permanente piccola e la potenza massima è di sole decine di kilowatt. Quando il materiale del magnete permanente è soggetto a vibrazioni, alta temperatura e corrente di sovraccarico, la sua permeabilità magnetica può diminuire o smagnetizzarsi, riducendo le prestazioni del motore a magnete permanente e persino danneggiando il motore nei casi più gravi. Il sovraccarico non si verifica. Nella modalità di potenza costante, il motore CC senza spazzole a magneti permanenti è complicato da utilizzare e richiede un sistema di controllo complesso, che rende il sistema di azionamento del motore CC senza spazzole a magneti permanenti molto costoso.

2.4 Motore a riluttanza commutata

2.4.1 Prestazioni di base del motore a riluttanza commutata

Il motore a riluttanza commutata è un nuovo tipo di motore. Il sistema ha molte caratteristiche evidenti: la sua struttura è più semplice di qualsiasi altro motore, e non ci sono anelli collettori, avvolgimenti e magneti permanenti sul rotore del motore, ma solo sullo statore. C'è un semplice avvolgimento concentrato, le estremità dell'avvolgimento sono corte e non è presente alcun ponticello interfase, che è facile da mantenere e riparare. Pertanto, l'affidabilità è buona e la velocità può raggiungere i 15.000 giri/min. L'efficienza può raggiungere dall'85% al ​​93%, che è superiore a quella dei motori a induzione CA. La perdita è principalmente nello statore e il motore è facile da raffreddare; il rotore è un magnete permanente, che ha un ampio intervallo di regolazione della velocità e un controllo flessibile, che consente di soddisfare facilmente vari requisiti speciali di caratteristiche di coppia-velocità e mantiene un'elevata efficienza in un'ampia gamma. È più adatto ai requisiti di prestazione energetica dei veicoli elettrici.

2.4.2 Sistema di controllo del motore a riluttanza commutata

Il motore a riluttanza commutata ha un alto grado di caratteristiche non lineari, pertanto il suo sistema di azionamento è più complesso. Il suo sistema di controllo include un convertitore di potenza.

UN. L'avvolgimento di eccitazione del motore a riluttanza commutata del convertitore di potenza, indipendentemente dalla corrente diretta o dalla corrente inversa, la direzione della coppia rimane invariata e il periodo viene commutato. Ogni fase necessita solo di un tubo dell'interruttore di alimentazione con una capacità inferiore e il circuito del convertitore di potenza è relativamente semplice, nessun guasto diretto, buona affidabilità, avvio graduale facile da implementare e funzionamento a quattro quadranti del sistema e forte capacità di frenata rigenerativa . Il costo è inferiore rispetto al sistema di controllo dell'inverter del motore a induzione trifase CA.

B. Controllore

Il controller è costituito da microprocessori, circuiti logici digitali e altri componenti. In base al comando immesso dal conducente, il microprocessore analizza ed elabora la posizione del rotore del motore restituita contemporaneamente dal rilevatore di posizione e dal rilevatore di corrente, prende decisioni in un istante ed emette una serie di comandi di esecuzione per controllare il motore a riluttanza commutata. Adattarsi al funzionamento dei veicoli elettrici in diverse condizioni. Le prestazioni del controller e la flessibilità di regolazione dipendono dalla cooperazione prestazionale tra il software e l'hardware del microprocessore.

C. Rilevatore di posizione
I motori a riluttanza commutata richiedono rilevatori di posizione ad alta precisione per fornire al sistema di controllo segnali di cambiamenti nella posizione, velocità e corrente del rotore del motore e richiedono una frequenza di commutazione più elevata per ridurre il rumore del motore a riluttanza commutata.

2.4.3 Difetti dei motori a riluttanza commutata

Il sistema di controllo del motore a riluttanza commutata è un po' più complicato dei sistemi di controllo di altri motori. Il rilevatore di posizione è il componente chiave del motore a riluttanza commutata e le sue prestazioni hanno un'influenza importante sul funzionamento di controllo del motore a riluttanza commutata. Poiché il motore a riluttanza commutata è una struttura doppiamente saliente, vi è inevitabilmente una fluttuazione di coppia e il rumore è il principale svantaggio del motore a riluttanza commutata. Tuttavia, la ricerca degli ultimi anni ha dimostrato che il rumore del motore a riluttanza commutata può essere completamente soppresso adottando una ragionevole tecnologia di progettazione, produzione e controllo.

Inoltre, a causa della grande fluttuazione della coppia di uscita del motore a riluttanza commutata e della grande fluttuazione della corrente CC del convertitore di potenza, è necessario installare un grande condensatore di filtro sul bus CC.Le automobili hanno adottato diversi motori elettrici in diversi periodi storici, utilizzando il motore CC con le migliori prestazioni di controllo e costi inferiori. Con il continuo sviluppo della tecnologia dei motori, della tecnologia di produzione dei macchinari, della tecnologia dell'elettronica di potenza e della tecnologia di controllo automatico, dei motori CA. I motori CC senza spazzole a magneti permanenti e i motori a riluttanza commutata mostrano prestazioni superiori rispetto ai motori CC e questi motori stanno gradualmente sostituendo i motori CC nei veicoli elettrici. La tabella 1 confronta le prestazioni di base di vari motori elettrici utilizzati nei moderni veicoli elettrici. Attualmente il costo dei motori a corrente alternata, dei motori a magneti permanenti, dei motori a riluttanza commutata e dei loro dispositivi di controllo è ancora relativamente elevato. Dopo la produzione di massa, i prezzi di questi motori e dispositivi di controllo delle unità diminuiranno rapidamente, il che soddisferà i requisiti di vantaggi economici e ridurrà il prezzo dei veicoli elettrici.