Сосуществование человека с окружающей средой и устойчивое развитие глобальной экономики побуждают людей искать средства транспорта с низким уровнем выбросов и ресурсосберегающие средства, а использование электромобилей, несомненно, является многообещающим решением.
Современные электромобили представляют собой комплексные продукты, объединяющие различные высокотехнологичные технологии, такие как электричество, электроника, механическое управление, материаловедение и химическая технология. Общие эксплуатационные характеристики, экономичность и т. д. в первую очередь зависят от аккумуляторной системы и системы управления электроприводом. Система моторного привода электромобиля обычно состоит из четырех основных частей, а именно контроллера. Силовые преобразователи, двигатели и датчики. В настоящее время двигатели, используемые в электромобилях, обычно включают двигатели постоянного тока, асинхронные двигатели, вентильные реактивные двигатели и бесщеточные двигатели с постоянными магнитами.
1. Основные требования электромобилей к электродвигателям
Эксплуатация электромобилей, в отличие от общепромышленных применений, очень сложна. Поэтому требования к системе привода очень высоки.
1.1 Двигатели для электромобилей должны иметь характеристики большой мгновенной мощности, высокой перегрузочной способности, коэффициента перегрузки от 3 до 4), хороших характеристик ускорения и длительного срока службы.
1.2 Двигатели для электромобилей должны иметь широкий диапазон регулирования скорости, включая область постоянного крутящего момента и область постоянной мощности. В области постоянного крутящего момента при движении на низкой скорости требуется высокий крутящий момент, чтобы удовлетворить требования трогания с места и набора высоты; в области постоянной мощности высокая скорость требуется, когда требуется низкий крутящий момент для удовлетворения требований высокоскоростного движения по ровным дорогам. Требовать.
1.3 Электродвигатель для электромобилей должен иметь возможность осуществлять рекуперативное торможение при замедлении транспортного средства, восстанавливать и возвращать энергию в батарею, чтобы электромобиль имел наилучший коэффициент использования энергии, чего невозможно достичь в транспортном средстве с двигателем внутреннего сгорания. .
1.4 Электродвигатель для электромобилей должен иметь высокий КПД во всем рабочем диапазоне, чтобы увеличить запас хода на одном заряде.
Кроме того, также требуется, чтобы электродвигатель для электромобилей обладал хорошей надежностью, мог долго работать в суровых условиях, имел простую конструкцию и был пригоден для массового производства, имел низкий уровень шума при работе, был прост в эксплуатации. и в обслуживании, и стоит дешево.
2 типа и методы управления электродвигателями для электромобилей
2.1 постоянного тока
Двигатели Основными преимуществами коллекторных двигателей постоянного тока являются простота управления и продуманная технология. Он обладает превосходными характеристиками управления, не имеющими себе равных среди двигателей переменного тока. В первых разработанных электромобилях в основном использовались двигатели постоянного тока, и даже сейчас некоторые электромобили все еще приводятся в движение двигателями постоянного тока. Однако из-за наличия щеток и механических коммутаторов это не только ограничивает дальнейшее улучшение перегрузочной способности и скорости двигателя, но и требует частого обслуживания и замены щеток и коммутаторов при длительной работе. Кроме того, поскольку на роторе имеются потери, тепло рассеивается с трудом, что ограничивает дальнейшее улучшение соотношения крутящего момента двигателя к массе. Ввиду вышеперечисленных недостатков двигателей постоянного тока двигатели постоянного тока в вновь разрабатываемых электромобилях практически не используются.
2.2 Трехфазный асинхронный двигатель переменного тока
2.2.1 Основные характеристики трехфазного асинхронного двигателя переменного тока
Трехфазные асинхронные двигатели переменного тока являются наиболее широко используемыми двигателями. Статор и ротор ламинированы листами кремнистой стали, между статорами нет контактных колец, коллекторов и других компонентов, контактирующих друг с другом. Простая конструкция, надежная работа и долговечность. Диапазон мощности асинхронного двигателя переменного тока очень широк, а скорость достигает 12 000 ~ 15 000 об/мин. Можно использовать воздушное или жидкостное охлаждение с высокой степенью свободы охлаждения. Он обладает хорошей адаптируемостью к окружающей среде и может осуществлять рекуперативное торможение с обратной связью. По сравнению с двигателем постоянного тока той же мощности эффективность выше, качество снижается примерно вдвое, цена дешевая, обслуживание удобное.
2.2.2 Система управления
асинхронного двигателя переменного тока. Поскольку трехфазный асинхронный двигатель переменного тока не может напрямую использовать мощность постоянного тока, подаваемую от аккумулятора, а трехфазный асинхронный двигатель переменного тока имеет нелинейные выходные характеристики. Следовательно, в электромобиле, использующем трехфазный асинхронный двигатель переменного тока, необходимо использовать силовое полупроводниковое устройство в инверторе для преобразования постоянного тока в переменный ток, частоту и амплитуду которого можно регулировать для реализации управления переменным током. трехфазный двигатель. В основном существуют методы управления v/f и методы управления частотой скольжения.
С помощью векторного метода управления осуществляется управление частотой переменного тока обмотки возбуждения трехфазного асинхронного двигателя переменного тока и регулировкой выводов входного трехфазного асинхронного двигателя переменного тока, магнитным потоком и моментом вращающегося магнитного поля. трехфазного асинхронного двигателя переменного тока управляются, и осуществляется изменение трехфазного асинхронного двигателя переменного тока. Скорость и выходной крутящий момент могут соответствовать требованиям характеристик изменения нагрузки и могут достигать максимальной эффективности, поэтому трехфазный асинхронный двигатель переменного тока может широко использоваться в электромобилях.
2.2.3 Недостатки
Трехфазный асинхронный двигатель переменного тока. Трехфазный асинхронный двигатель переменного тока потребляет большую мощность, а ротор легко нагревается. Необходимо обеспечить охлаждение трехфазного асинхронного двигателя переменного тока во время работы на высоких скоростях, иначе двигатель будет поврежден. Коэффициент мощности трехфазного асинхронного двигателя переменного тока низкий, поэтому входной коэффициент мощности устройства преобразования частоты и напряжения также низок, поэтому необходимо использовать устройство преобразования частоты и напряжения большой мощности. Стоимость системы управления трехфазным асинхронным двигателем переменного тока значительно выше стоимости самого трехфазного асинхронного двигателя переменного тока, что увеличивает стоимость электромобиля. Кроме того, регулирование скорости трехфазного асинхронного двигателя переменного тока также плохое.
2.3 Бесщеточный двигатель постоянного тока с постоянными магнитами
2.3.1 Основные характеристики бесщеточного двигателя постоянного тока с постоянными магнитами
Бесщеточный двигатель постоянного тока с постоянными магнитами представляет собой высокопроизводительный двигатель. Его самая большая особенность заключается в том, что он имеет внешние характеристики двигателя постоянного тока без механической контактной конструкции, состоящей из щеток. Кроме того, в нем используется ротор с постоянными магнитами, и потери на возбуждение отсутствуют: нагретая обмотка якоря установлена на внешнем статоре, который легко рассеивает тепло. Таким образом, бесщеточный двигатель постоянного тока с постоянными магнитами не имеет коммутационных искр, радиопомех, имеет длительный срок службы и надежную работу. , простота обслуживания. Кроме того, его скорость не ограничена механической коммутацией, а если используются воздушные подшипники или подшипники с магнитной подвеской, он может вращаться со скоростью до нескольких сотен тысяч оборотов в минуту. По сравнению с системой бесщеточных двигателей постоянного тока с постоянными магнитами она имеет более высокую плотность энергии и более высокий КПД, а также имеет хорошие перспективы применения в электромобилях.
2.3.2 Система управления бесщеточным двигателем постоянного тока с постоянными магнитами
Типичный бесщеточный двигатель постоянного тока с постоянными магнитами представляет собой систему векторного управления с квазиразвязкой. Поскольку постоянный магнит может генерировать только магнитное поле фиксированной амплитуды, система бесщеточного двигателя постоянного тока с постоянным магнитом очень важна. Он подходит для работы в области постоянного крутящего момента, обычно с использованием метода управления текущим гистерезисом или метода SPWM с обратной связью по току. Чтобы еще больше увеличить скорость, бесщеточный двигатель постоянного тока с постоянными магнитами также может использовать контроль ослабления поля. Суть управления ослаблением поля заключается в увеличении фазового угла фазного тока, чтобы обеспечить потенциал размагничивания по прямой оси для ослабления потокосцепления в обмотке статора.
2.3.3 Недостаточность
Бесщеточный двигатель постоянного тока с постоянными магнитами На бесщеточный двигатель постоянного тока с постоянными магнитами влияет и ограничивает процесс обработки материала постоянного магнита, что делает диапазон мощности бесщеточного двигателя постоянного тока с постоянными магнитами небольшим, а максимальная мощность составляет всего лишь десятки киловатт. Когда материал постоянного магнита подвергается вибрации, высокой температуре и току перегрузки, его магнитная проницаемость может уменьшиться или размагнититься, что снизит производительность двигателя с постоянными магнитами и даже в тяжелых случаях повредит двигатель. Перегрузки не происходит. В режиме постоянной мощности бесщеточный двигатель постоянного тока с постоянными магнитами сложен в эксплуатации и требует сложной системы управления, что делает систему привода бесщеточного двигателя постоянного тока с постоянными магнитами очень дорогой.
2.4 Реактивный двигатель с переключателем
2.4.1 Основные характеристики вентильного реактивного двигателя
Коммутируемый реактивный двигатель представляет собой новый тип двигателя. Система имеет множество очевидных особенностей: ее конструкция проще, чем у любого другого двигателя, на роторе двигателя отсутствуют контактные кольца, обмотки и постоянные магниты, а только статор. Там простая концентрированная обмотка, концы обмотки короткие, межфазная перемычка отсутствует, что легко в обслуживании и ремонте. Таким образом, надежность хорошая, а скорость может достигать 15000 об/мин. КПД может достигать 85–93%, что выше, чем у асинхронных двигателей переменного тока. Потери в основном происходят в статоре, а двигатель легко охлаждается; Ротор представляет собой постоянный магнит, который имеет широкий диапазон регулирования скорости и гибкое управление, что позволяет легко достичь различных особых требований к характеристикам крутящего момента и скорости и поддерживает высокую эффективность в широком диапазоне. Он больше подходит для требований к мощности электромобилей.
2.4.2 Система управления вентильным реактивным двигателем
Реактивный двигатель имеет высокую степень нелинейных характеристик, поэтому его система привода более сложна. Его система управления включает преобразователь мощности.
а. Обмотка возбуждения вентильного реактивного двигателя силового преобразователяНезависимо от прямого или обратного тока, направление крутящего момента остается неизменным, а период коммутируется. Для каждой фазы требуется только трубка переключателя мощности меньшей мощности, а схема преобразователя мощности относительно проста, не имеет сквозных сбоев, имеет хорошую надежность, легко реализует плавный пуск и работу системы в четырех квадрантах, а также обладает мощной способностью рекуперативного торможения. . Стоимость ниже, чем инверторная система управления трехфазным асинхронным двигателем переменного тока.
б. Контроллер
Контроллер состоит из микропроцессоров, цифровых логических схем и других компонентов. В соответствии с командой, введенной драйвером, микропроцессор анализирует и обрабатывает положение ротора двигателя, полученное одновременно от детектора положения и детектора тока, мгновенно принимает решения и выдает серию команд выполнения для управлять вентильным реактивным двигателем. Адаптироваться к эксплуатации электромобилей в различных условиях. Производительность контроллера и гибкость настройки зависят от взаимодействия производительности программного и аппаратного обеспечения микропроцессора.
в. Детектор положения
Вентиляторные реактивные двигатели требуют высокоточных датчиков положения для подачи в систему управления сигналов об изменении положения, скорости и тока ротора двигателя, а также требуют более высокой частоты коммутации для снижения шума вентильного реактивного двигателя.
2.4.3 Недостатки вентильных реактивных двигателей
Система управления вентильным реактивным двигателем немного сложнее, чем системы управления других двигателей. Датчик положения является ключевым компонентом вентильного реактивного двигателя, и его характеристики оказывают важное влияние на работу управления вентильным реактивным двигателем. Поскольку вентильный реактивный двигатель представляет собой вдвойне выпуклую конструкцию, неизбежно возникают колебания крутящего момента, а шум является основным недостатком вентильного реактивного двигателя. Однако исследования последних лет показали, что шум вентильного реактивного двигателя можно полностью подавить, если принять разумную технологию проектирования, производства и управления.
Кроме того, из-за больших колебаний выходного крутящего момента вентильного реактивного двигателя и больших колебаний постоянного тока силового преобразователя на шине постоянного тока необходимо установить большой фильтрующий конденсатор.В разные исторические периоды в автомобилях использовались разные электродвигатели, при этом использовался двигатель постоянного тока с лучшими характеристиками управления и меньшей стоимостью. Благодаря постоянному развитию технологий двигателей, технологий производства машин, технологий силовой электроники и технологий автоматического управления, двигатели переменного тока. Бесщеточные двигатели постоянного тока с постоянными магнитами и вентильные реактивные двигатели демонстрируют превосходные характеристики по сравнению с двигателями постоянного тока, и эти двигатели постепенно заменяют двигатели постоянного тока в электромобилях. В таблице 1 сравниваются основные характеристики различных электродвигателей, используемых в современных электромобилях. В настоящее время стоимость двигателей переменного тока, двигателей с постоянными магнитами, вентильных реактивных двигателей и устройств их управления все еще относительно высока. После массового производства цены на эти двигатели и устройства управления агрегатами будут быстро снижаться, что будет отвечать требованиям экономической выгоды и позволит снизить цену на электромобили.
Время публикации: 24 марта 2022 г.