詳解電動汽車電機與工業電機有什麽區別?
首先,先推薦一篇電動汽車方麵的經典文獻:Electrical Machines and Drives for Electric, Hybrid, and Fuel Cell Vehicles, by Z. Q. Zhu and David Howe, link: IEEE Xplore Document結合這篇文章,我詳細寫一下電動汽車電機和普通工業電機的異同。
相同點:
1. 都是電機看似廢話哈,我想說的是,電動汽車電機也是電機的一種罷了,沒有什麽特別的。分析方法逃不過普通的電磁分析方法,計算工具也都是有限元軟件,仿真求解器都是基於Transient Solver,電磁方程逃不過麥克斯韋方程組。沒什麽大不了的,就是一種負載要求特殊的電機。
2. 分類和控製都一樣電動汽車也分感應電機和永磁電機兩大類,控製理論和方法和工業電機沒有任何區別。
不同點:
1. 嚴格的體積要求和重量要求因為是車載,所以這方麵要求突出。普通工業電機對於體積尺寸和重量沒有這麽嚴格的要求,因為工業場地巨大,一般以滿足工業目標為第一目的。電動汽車不同,尺寸和重量決定了汽車的動力性能和駕駛體驗,直接影響產品的質量。所以,電動汽車電機的難點就在於提高功率重量密度和功率體積密度。越小,越輕,功率越大的電機,越好。
2. 獨特的轉矩特性啟動或低速時要求超高轉矩,將汽車速度以最快的方式泵升至期望速度。一般工業電機並沒有這麽高的啟動速度要求。同時,高速時需要提供足夠的功率,使得汽車可以高速巡航。
3. 寬調速範圍最高速度可能是電機基速的4倍甚至更高。目前電動汽車最好的方案莫過於省去多檔變速箱,隻使用固定檔的齒輪組。如此,則要求電機的調速範圍越寬越好。以特斯拉的Model S 基本款為例,電機最高RPM能達到18000轉/分鍾,相當可怕。這對於電力電子調速器來說是一個非常大的考驗。
4. 全範圍效率要求電動汽車不像電力機車由受電弓供電,電動汽車由電池供電,巡航範圍完全取決於電機效率。電機效率每提高1%,巡航裏程就可相應增加1%。所以對於電機的效率要求很高。能高一點,就是勝利,每一點能量都要優化。
5. 其他至於噪音小,穩定性高,散熱合理,性價比等等我就不提了,這些是基本要求。
技術細節:
1. 轉矩-轉速 效率分布圖:
電動汽車電機的效率分布圖最好能如下圖:
(圖片來源:Electrical Machines and Drives for Electric, Hybrid, and Fuel Cell Vehicles, by Z. Q. Zhu and David Howe, link: IEEE Xplore Document)電動汽車主要運行在黃色區域,不會經常啟動,也不會超高速持續運行,更多的是在中間部分加速減速。所以對於效率範圍來說,最好能在黃色區域有較高的效率。相應的,我們希望黃色的區域能夠朝著三個方向延伸,從而滿足最大能量利用率。2. 調速曲線:
(圖片來源:Electrical Machines and Drives for Electric, Hybrid, and Fuel Cell Vehicles, by Z. Q. Zhu and David Howe, link: IEEE Xplore Document)和普通電機基本類似,不同的是更為寬廣的恒功率區域;極速可達到基速的4倍。3. 電機漏磁通越小越好!這一點和工業電機大不相同。這一點主要是針對感應電機的。拿一般的和電網直連的工業感應電機為例,轉子側的開槽簡直可以被稱之為“花式開槽”。有深槽,有雙槽,有斜槽。這些設計有些是為了改善啟動特性,有的是為了折衷低速和高速的性能,有的是為了降低轉矩脈動。可是這些花式開槽都增加了漏磁通。電動汽車電機是由逆變器精確控製的,所以所有的啟動特性統統和傳統電機不一樣。由於控製器可以控製啟動時的頻率和幅值,所以不會有直連電網電機的那些缺點。這時候就要求漏磁通缺少越好,槽越淺越寬越好!同時,適當的增加氣隙寬度,降低高頻諧波分量的阻抗。如果條件允許,盡量使用銅鼠籠,不要使用鋁鼠籠(電阻大)。這些特點在特斯拉汽車的感應電機上表現的淋漓盡致:
4. 永磁電機永磁電機主要應用於混合電動汽車。混動汽車上100%的電機都是永磁電機。完美的市場份額。為什麽?因為體積小,質量輕,功率密度高。永磁分為BLAC(無刷交流)和BLDC(無刷直流)兩種。兩種電機構造基本相同,唯一區別在於控製的電流波形。BLAC是正弦波,BLDC是矩形波。相對來說,BLAC的性能略微好於BLDC,但是優勢不太明顯。永磁電機以豐田汽車的Prius電機最為著名:
整機的設計基本上已經到達了現階段電機設計的極限,堪稱工藝品。其微調過後的永磁斜槽:以及堪稱教科書式的效率分布圖:
都是值得深入學習的典範。
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