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新能源汽車電機驅動系統
新能源汽車電機驅動系統

新能源汽車采用電動機取代傳統的內燃機作為動力輸出部件。隨著新能源汽車對驅動電機寬調速范圍、高功率密度、高效率等性能要求的提高,稀土永磁體勵磁的永磁同步電機技術逐漸取代傳統直流電機、感應電機驅動技術作為新能源汽車的主流驅動電機解決方案。但是,隨著驅動電機功率密度和效率的不斷提高,傳統結構和傳統工藝制造的永磁同步電機也逐漸難以滿足當前市場的競爭需求,各大傳統主機廠和新興造車勢力迫切需要尋找新的技術解決

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新能源汽車采用電動機取代傳統的內燃機作為動力輸出部件。隨著新能源汽車對驅動電機寬調速范圍、高功率密度、高效率等性能要求的提高,稀土永磁體勵磁的永磁同步電機技術逐漸取代傳統直流電機、感應電機驅動技術作為新能源汽車的主流驅動電機解決方案。但是,隨著驅動電機功率密度和效率的不斷提高,傳統結構和傳統工藝制造的永磁同步電機也逐漸難以滿足當前市場的競爭需求,各大傳統主機廠和新興造車勢力迫切需要尋找新的技術解決方案。

  (一)扁銅線技術

  發卡式 ( 也稱為扁銅線 ) 采用發卡式定子繞組可以提高電機定子的槽滿率,從而提高電機的功率密度。此外,發卡式定子繞組的端部尺寸較短,因而擁有更低的銅損以及更好的散熱性能。當前該類電機的生產技術、設備和專利,主要由日本、意大利和德國等傳統汽車強國所引領。從 2018 年開始,國內的深圳市匯川技術有限公司、松正電動汽車技術股份有限公司等電動汽車零部件供應商也陸續發力,推出了自己的扁銅線電機產品。

  然而,相對于傳統圓銅線繞組而言,扁銅線繞組的高頻趨膚效應顯著。對于大功率驅動電機,發卡式定子繞組帶來的環流損耗也更加突出 。發卡式繞組的生產工藝復雜,扁銅線彎折后絕緣層容易損壞產生缺口或破面。降低發卡式定子繞組的趨膚效應和渦流損耗是當前研究的熱點。提高發卡式定子繞組的材料加工技術和制造精度將有利于該項技術國產化的推廣。

  (二)多相永磁電機技術

  多相電機在輸出相同功率時的母線電壓低于傳統的三相電機,且具有更小的轉矩脈動和更強的容錯能力 ,因此適用于對噪聲、振動、聲振粗糙度(NVH)要求高的新能源汽車電驅系統 。以雙三相永磁同步電機為例,電機的兩套繞組在空間上相距 30° 電角度,消除了 5 次與 7 次諧波磁勢,大大減少了電機的轉矩脈動 。同時,雙三相永磁同步電機兩套繞組采用隔離中線設計,相比4 相與 5 相電機,降低了系統的階次,便于分析與控制,在電機與控制器發生故障時,控制算法不需要大的更改即可實現電機系統的容錯運行控制,因此雙三相永磁同步電機也成為了新能源汽車電機驅動系統研究的熱點。

  (三)永磁同步磁阻電機技術

  永磁同步磁阻電機是“永磁同步電機 + 磁阻電機”的融合,與傳統永磁同步電機相比,其永磁體磁鏈較小、磁阻轉矩較大,是一種少稀土 / 無稀土永磁電機方案。同時,其不但擁有很高的扭矩電流比、很高的功率密度、較低的磁飽和問題,還具有更寬廣的高效率調速范圍。因此,該技術路線已經被應用于寶馬公司的 i3 和 i8 系列車型。

  永磁同步磁阻電機是當前行業界普遍看好的技術路線。但是其也面臨著轉子結構設計復雜、制造工藝復雜、制造設備成本高、最優電流角度變化大等問題,是當前研究的重點和難點。因此,該技術的發展對于一些嚴重依賴廉價稀土永磁體、研發能力和制造加工能力差的企業將是不小的沖擊。

  (四)輪轂電機技術

  輪轂電機的形式多樣,但國內外的研究多集中在外轉子輪轂電機 。輪轂電機的應用能夠給新能源汽車帶來一系列明顯優勢:省掉了變速器、傳動軸、差速器等機械傳動部分,可以實現四輪分布式驅動,且留下更多的底盤空間給電池包。但是,驅動電機的輪轂化目前還面臨著一系列新的挑戰,比如:大大增加了簧下質量和車輪的轉動慣量、較難處理電機的防水和防塵問題、散熱問題和較復雜的驅動控制算法等 [16]。當前,Protean、Elaphe 等國外企業推出了一系列產品樣機(見圖 3),并和國內亞太機電股份有限公司、萬安科技股份有限公司等企業進行了國產化合作。而國內以湖北泰特機電有限公司為首的企業也緊隨其后推出了一系列針對大型商用車輛和特種車輛的輪轂電機方案。

  (五)永磁體散熱技術

  永磁體性能的穩定對于車用驅動電機的輸出性能具有至關重要的作用。而工作溫度的升高往往會永磁體產生退磁,從而降低驅動電機的轉矩輸出能力。過高的永磁體工作溫度還會導致驅動電機的高效率運行區域縮小、功率因數減小 。針對該問題,國內外學者在永磁電機的永磁體溫度監測技術方面做了較多理論研究 。但是在新能源汽車驅動電機中,使用性能穩定的低成本溫度傳感器來提供必需的溫度監測功能依然是當前唯一的可靠選擇。

  目前針對電機散熱方式的研究,往往都是基于定子和端部繞組的分析,若能從電機轉子的角度來研究電機的散熱結構和散熱方式,對于提高新能源汽車的動力穩定性有重要意義。此外,研制應用于高功率密度電機的耐高溫永磁體則能從根本上解決永磁體高負荷、高溫工況下的磁性能退化問題。


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