Comparação de vários motores de veículos elétricos

A coexistência do ser humano com o ambiente e o desenvolvimento sustentável da economia global fazem com que as pessoas procurem um meio de transporte com baixas emissões e eficiente em termos de recursos, e a utilização de veículos eléctricos é, sem dúvida, uma solução promissora.

Os veículos elétricos modernos são produtos abrangentes que integram diversas tecnologias de alta tecnologia, como eletricidade, eletrônica, controle mecânico, ciência de materiais e tecnologia química. O desempenho operacional geral, economia, etc. dependem primeiro do sistema de bateria e do sistema de controle do acionamento do motor. O sistema de acionamento motorizado de um veículo elétrico geralmente consiste em quatro partes principais, a saber, o controlador. Conversores de potência, motores e sensores. Atualmente, os motores usados ​​em veículos elétricos geralmente incluem motores DC, motores de indução, motores de relutância comutada e motores sem escova de ímã permanente.

1. Requisitos básicos de veículos elétricos para motores elétricos

A operação de veículos elétricos, diferentemente das aplicações industriais em geral, é muito complexa. Portanto, os requisitos para o sistema de acionamento são muito elevados.

1.1 Os motores para veículos elétricos devem ter características de grande potência instantânea, forte capacidade de sobrecarga, coeficiente de sobrecarga de 3 a 4), bom desempenho de aceleração e longa vida útil.

1.2 Os motores para veículos elétricos devem ter uma ampla faixa de regulação de velocidade, incluindo área de torque constante e área de potência constante. Na área de torque constante, é necessário alto torque ao operar em baixa velocidade para atender aos requisitos de partida e subida; na área de potência constante, alta velocidade é necessária quando é necessário baixo torque para atender aos requisitos de condução em alta velocidade em estradas planas. Exigir.

1.3 O motor elétrico para veículos elétricos deve ser capaz de realizar frenagem regenerativa quando o veículo desacelera, recuperar e realimentar energia para a bateria, para que o veículo elétrico tenha a melhor taxa de utilização de energia, o que não pode ser alcançado no veículo com motor de combustão interna .

1.4 O motor elétrico para veículos elétricos deve ter alta eficiência em toda a faixa de operação, de forma a melhorar a autonomia de cruzeiro com uma carga.

Além disso, também é necessário que o motor elétrico para veículos elétricos tenha boa confiabilidade, possa funcionar por muito tempo em ambientes adversos, tenha uma estrutura simples e seja adequado para produção em massa, tenha baixo ruído durante a operação, seja fácil de usar e manter, e é barato.

2 tipos e métodos de controle de motores elétricos para veículos elétricos
2.1 CC
Motores As principais vantagens dos motores DC escovados são o controle simples e a tecnologia madura. Possui excelentes características de controle incomparáveis ​​aos motores CA. Nos primeiros veículos elétricos desenvolvidos, os motores DC são usados ​​principalmente e, mesmo agora, alguns veículos elétricos ainda são movidos por motores DC. Porém, devido à existência de escovas e comutadores mecânicos, não só limita a melhoria adicional da capacidade de sobrecarga e velocidade do motor, mas também requer manutenção frequente e substituição de escovas e comutadores se funcionar por muito tempo. Além disso, como existe perda no rotor, é difícil dissipar o calor, o que limita a melhoria adicional da relação torque-massa do motor. Tendo em conta os defeitos acima mencionados dos motores DC, os motores DC basicamente não são utilizados em veículos eléctricos recentemente desenvolvidos.

2.2 Motor de indução trifásico CA

2.2.1 Desempenho básico do motor de indução trifásico CA

Os motores de indução trifásicos CA são os motores mais utilizados. O estator e o rotor são laminados com chapas de aço silício, não existindo anéis coletores, comutadores e outros componentes que estejam em contato entre os estatores. Estrutura simples, operação confiável e durável. A cobertura de energia do motor de indução CA é muito ampla e a velocidade atinge 12.000 ~ 15.000 r/min. Pode ser usado resfriamento a ar ou líquido, com alto grau de liberdade de resfriamento. Possui boa adaptabilidade ao meio ambiente e pode realizar frenagem de feedback regenerativo. Comparado com o mesmo motor DC de potência, a eficiência é maior, a qualidade é reduzida pela metade, o preço é barato e a manutenção é conveniente.

2.2.2 O sistema de controle

do motor de indução CA Porque o motor de indução trifásico CA não pode usar diretamente a energia CC fornecida pela bateria, e o motor de indução trifásico CA possui características de saída não lineares. Portanto, em um veículo elétrico utilizando motor de indução trifásico CA, é necessário utilizar o dispositivo semicondutor de potência no inversor para converter a corrente contínua em corrente alternada cuja frequência e amplitude podem ser ajustadas para realizar o controle do CA. motor trifásico. Existem principalmente métodos de controle v/f e métodos de controle de frequência de escorregamento.

Usando o método de controle vetorial, a frequência da corrente alternada do enrolamento de excitação do motor de indução trifásico CA e o ajuste do terminal do motor de indução trifásico CA de entrada são controlados, o fluxo magnético e o torque do campo magnético rotativo do motor de indução trifásico CA são controlados e a mudança do motor de indução trifásico CA é realizada. A velocidade e o torque de saída podem atender aos requisitos das características de mudança de carga e obter a mais alta eficiência, de modo que o motor de indução trifásico CA pode ser amplamente utilizado em veículos elétricos.

2.2.3 Deficiências de

Motor de indução trifásico CA O consumo de energia do motor de indução trifásico CA é grande e o rotor é fácil de aquecer. É necessário garantir o resfriamento do motor de indução trifásico CA durante a operação em alta velocidade, caso contrário o motor será danificado. O fator de potência do motor de indução trifásico CA é baixo, de modo que o fator de potência de entrada do dispositivo de conversão de frequência e conversão de tensão também é baixo, por isso é necessário usar um dispositivo de conversão de frequência e conversão de tensão de grande capacidade. O custo do sistema de controle do motor de indução trifásico CA é muito superior ao do próprio motor de indução trifásico CA, o que aumenta o custo do veículo elétrico. Além disso, a regulação da velocidade do motor de indução trifásico CA também é fraca.

2.3 Motor DC sem escova de ímã permanente

2.3.1 Desempenho básico do motor DC sem escova de ímã permanente

O motor DC sem escova de ímã permanente é um motor de alto desempenho. Sua maior característica é possuir as características externas de um motor DC sem estrutura de contato mecânico composta por escovas. Além disso, adota rotor de ímã permanente e não há perda de excitação: o enrolamento da armadura aquecido é instalado no estator externo, que é fácil de dissipar o calor. Portanto, o motor DC sem escova de ímã permanente não possui faíscas de comutação, nenhuma interferência de rádio, longa vida útil e operação confiável. , fácil manutenção. Além disso, sua velocidade não é limitada por comutação mecânica e, se forem usados ​​rolamentos pneumáticos ou de suspensão magnética, ele pode funcionar a várias centenas de milhares de rotações por minuto. Comparado com o sistema de motor DC sem escova de ímã permanente, possui maior densidade de energia e maior eficiência, e tem uma boa perspectiva de aplicação em veículos elétricos.

2.3.2 O sistema de controle do motor DC sem escovas de ímã permanente O

O típico motor DC sem escova de ímã permanente é um sistema de controle vetorial de quase desacoplamento. Como o ímã permanente só pode gerar um campo magnético de amplitude fixa, o sistema de motor DC sem escovas de ímã permanente é muito importante. É adequado para operação na região de torque constante, geralmente usando controle de histerese de corrente ou método SPWM do tipo feedback de corrente para ser concluído. Para expandir ainda mais a velocidade, o motor DC sem escova de ímã permanente também pode usar o controle de enfraquecimento de campo. A essência do controle de enfraquecimento de campo é avançar o ângulo de fase da corrente de fase para fornecer um potencial de desmagnetização de eixo direto para enfraquecer a ligação de fluxo no enrolamento do estator.

2.3.3 Insuficiência de

Motor DC sem escova de ímã permanente O motor DC sem escova de ímã permanente é afetado e restringido pelo processo de material de ímã permanente, o que torna a faixa de potência do motor DC sem escova de ímã permanente pequena e a potência máxima é de apenas dezenas de quilowatts. Quando o material do ímã permanente é submetido a vibração, alta temperatura e corrente de sobrecarga, sua permeabilidade magnética pode diminuir ou desmagnetizar, o que reduzirá o desempenho do motor de ímã permanente e até mesmo danificará o motor em casos graves. A sobrecarga não ocorre. No modo de potência constante, o motor DC sem escovas de ímã permanente é complicado de operar e requer um sistema de controle complexo, o que torna o sistema de acionamento do motor DC sem escovas de ímã permanente muito caro.

2.4 Motor de relutância comutada

2.4.1 Desempenho Básico do Motor de Relutância Comutada

O motor de relutância comutada é um novo tipo de motor. O sistema possui muitas características óbvias: sua estrutura é mais simples do que qualquer outro motor, e não há anéis coletores, enrolamentos e ímãs permanentes no rotor do motor, mas apenas no estator. Existe um enrolamento concentrado simples, as extremidades do enrolamento são curtas e não há jumper interfásico, que é fácil de manter e reparar. Portanto, a confiabilidade é boa e a velocidade pode chegar a 15.000 r/min. A eficiência pode chegar a 85% a 93%, superior à dos motores de indução CA. A perda ocorre principalmente no estator e o motor é fácil de resfriar; o rotor é um ímã permanente, que possui uma ampla faixa de regulação de velocidade e controle flexível, que é fácil de atingir vários requisitos especiais de características de torque-velocidade e mantém alta eficiência em uma ampla faixa. É mais adequado para os requisitos de desempenho de energia dos veículos elétricos.

2.4.2 Sistema de controle de motor de relutância comutada

O motor de relutância chaveada possui alto grau de características não lineares, portanto, seu sistema de acionamento é mais complexo. Seu sistema de controle inclui um conversor de energia.

um. O enrolamento de excitação do motor de relutância comutada do conversor de potência, não importa a corrente direta ou reversa, a direção do torque permanece inalterada e o período é comutado. Cada fase precisa apenas de um tubo de comutação de energia com menor capacidade, e o circuito conversor de energia é relativamente simples, sem falha direta, boa confiabilidade, partida suave fácil de implementar e operação em quatro quadrantes do sistema e forte capacidade de frenagem regenerativa . O custo é menor que o sistema de controle do inversor do motor de indução trifásico CA.

b. Controlador

O controlador consiste em microprocessadores, circuitos lógicos digitais e outros componentes. De acordo com o comando inserido pelo driver, o microprocessador analisa e processa a posição do rotor do motor realimentada pelo detector de posição e pelo detector de corrente ao mesmo tempo, e toma decisões em um instante, e emite uma série de comandos de execução para controlar o motor de relutância comutada. Adapte-se à operação de veículos elétricos em diferentes condições. O desempenho do controlador e a flexibilidade de ajuste dependem da cooperação de desempenho entre o software e o hardware do microprocessador.

c. Detector de posição
Os motores de relutância comutada requerem detectores de posição de alta precisão para fornecer ao sistema de controle sinais de mudanças na posição, velocidade e corrente do rotor do motor, e requerem uma frequência de comutação mais alta para reduzir o ruído do motor de relutância comutada.

2.4.3 Deficiências dos Motores de Relutância Comutada

O sistema de controle do motor de relutância chaveada é um pouco mais complicado que os sistemas de controle de outros motores. O detector de posição é o componente chave do motor de relutância comutada e seu desempenho tem uma influência importante na operação de controle do motor de relutância comutada. Como o motor de relutância comutada é uma estrutura duplamente saliente, há inevitavelmente flutuação de torque e o ruído é a principal desvantagem do motor de relutância comutada. No entanto, pesquisas nos últimos anos mostraram que o ruído do motor de relutância comutada pode ser completamente suprimido pela adoção de tecnologia razoável de design, fabricação e controle.

Além disso, devido à grande flutuação do torque de saída do motor de relutância comutada e à grande flutuação da corrente CC do conversor de potência, um grande capacitor de filtro precisa ser instalado no barramento CC.Os carros adotaram diferentes motores elétricos em diferentes períodos históricos, utilizando o motor DC com melhor desempenho de controle e menor custo. Com o desenvolvimento contínuo da tecnologia de motores, tecnologia de fabricação de máquinas, tecnologia de eletrônica de potência e tecnologia de controle automático, motores CA. Os motores CC sem escovas de ímã permanente e os motores de relutância comutada apresentam desempenho superior aos motores CC, e esses motores estão substituindo gradualmente os motores CC em veículos elétricos. A Tabela 1 compara o desempenho básico de vários motores elétricos utilizados em veículos elétricos modernos. Actualmente, o custo dos motores de corrente alternada, motores de ímanes permanentes, motores de relutância comutada e seus dispositivos de controlo ainda é relativamente elevado. Após a produção em massa, os preços desses motores e dispositivos de controle unitário diminuirão rapidamente, o que atenderá aos requisitos de benefícios econômicos e fará com que o preço dos veículos elétricos seja reduzido.