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新能源汽车电机驱动系统
新能源汽车电机驱动系统

新能源汽车采用电动机取代传统的内燃机作为动力输出部件。随着新能源汽车对驱动电机宽调速范围、高功率密度、高效率等性能要求的提高,稀土永磁体励磁的永磁同步电机技术逐渐取代传统直流电机、感应电机驱动技术作为新能源汽车的主流驱动电机解决方案。但是,随着驱动电机功率密度和效率的不断提高,传统结构和传统工艺制造的永磁同步电机也逐渐难以满足当前市场的竞争需求,各大传统主机厂和新兴造车势力迫切需要寻找新的技术解决

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新能源汽车采用电动机取代传统的内燃机作为动力输出部件。随着新能源汽车对驱动电机宽调速范围、高功率密度、高效率等性能要求的提高,稀土永磁体励磁的永磁同步电机技术逐渐取代传统直流电机、感应电机驱动技术作为新能源汽车的主流驱动电机解决方案。但是,随着驱动电机功率密度和效率的不断提高,传统结构和传统工艺制造的永磁同步电机也逐渐难以满足当前市场的竞争需求,各大传统主机厂和新兴造车势力迫切需要寻找新的技术解决方案。

  (一)扁铜线技术

  发卡式 ( 也称为扁铜线 ) 采用发卡式定子绕组可以提高电机定子的槽满率,从而提高电机的功率密度。此外,发卡式定子绕组的端部尺寸较短,因而拥有更低的铜损以及更好的散热性能。当前该类电机的生产技术、设备和专利,主要由日本、意大利和德国等传统汽车强国所引领。从 2018 年开始,国内的深圳市汇川技术有限公司、松正电动汽车技术股份有限公司等电动汽车零部件供应商也陆续发力,推出了自己的扁铜线电机产品。

  然而,相对于传统圆铜线绕组而言,扁铜线绕组的高频趋肤效应显著。对于大功率驱动电机,发卡式定子绕组带来的环流损耗也更加突出 。发卡式绕组的生产工艺复杂,扁铜线弯折后绝缘层容易损坏产生缺口或破面。降低发卡式定子绕组的趋肤效应和涡流损耗是当前研究的热点。提高发卡式定子绕组的材料加工技术和制造精度将有利于该项技术国产化的推广。

  (二)多相永磁电机技术

  多相电机在输出相同功率时的母线电压低于传统的三相电机,且具有更小的转矩脉动和更强的容错能力 ,因此适用于对噪声、振动、声振粗糙度(NVH)要求高的新能源汽车电驱系统 。以双三相永磁同步电机为例,电机的两套绕组在空间上相距 30° 电角度,消除了 5 次与 7 次谐波磁势,大大减少了电机的转矩脉动 。同时,双三相永磁同步电机两套绕组采用隔离中线设计,相比4 相与 5 相电机,降低了系统的阶次,便于分析与控制,在电机与控制器发生故障时,控制算法不需要大的更改即可实现电机系统的容错运行控制,因此双三相永磁同步电机也成为了新能源汽车电机驱动系统研究的热点。

  (三)永磁同步磁阻电机技术

  永磁同步磁阻电机是“永磁同步电机 + 磁阻电机”的融合,与传统永磁同步电机相比,其永磁体磁链较小、磁阻转矩较大,是一种少稀土 / 无稀土永磁电机方案。同时,其不但拥有很高的扭矩电流比、很高的功率密度、较低的磁饱和问题,还具有更宽广的高效率调速范围。因此,该技术路线已经被应用于宝马公司的 i3 和 i8 系列车型。

  永磁同步磁阻电机是当前行业界普遍看好的技术路线。但是其也面临着转子结构设计复杂、制造工艺复杂、制造设备成本高、最优电流角度变化大等问题,是当前研究的重点和难点。因此,该技术的发展对于一些严重依赖廉价稀土永磁体、研发能力和制造加工能力差的企业将是不小的冲击。

  (四)轮毂电机技术

  轮毂电机的形式多样,但国内外的研究多集中在外转子轮毂电机 。轮毂电机的应用能够给新能源汽车带来一系列明显优势:省掉了变速器、传动轴、差速器等机械传动部分,可以实现四轮分布式驱动,且留下更多的底盘空间给电池包。但是,驱动电机的轮毂化目前还面临着一系列新的挑战,比如:大大增加了簧下质量和车轮的转动惯量、较难处理电机的防水和防尘问题、散热问题和较复杂的驱动控制算法等 [16]。当前,Protean、Elaphe 等国外企业推出了一系列产品样机(见图 3),并和国内亚太机电股份有限公司、万安科技股份有限公司等企业进行了国产化合作。而国内以湖北泰特机电有限公司为首的企业也紧随其后推出了一系列针对大型商用车辆和特种车辆的轮毂电机方案。

  (五)永磁体散热技术

  永磁体性能的稳定对于车用驱动电机的输出性能具有至关重要的作用。而工作温度的升高往往会永磁体产生退磁,从而降低驱动电机的转矩输出能力。过高的永磁体工作温度还会导致驱动电机的高效率运行区域缩小、功率因数减小 。针对该问题,国内外学者在永磁电机的永磁体温度监测技术方面做了较多理论研究 。但是在新能源汽车驱动电机中,使用性能稳定的低成本温度传感器来提供必需的温度监测功能依然是当前唯一的可靠选择。

  目前针对电机散热方式的研究,往往都是基于定子和端部绕组的分析,若能从电机转子的角度来研究电机的散热结构和散热方式,对于提高新能源汽车的动力稳定性有重要意义。此外,研制应用于高功率密度电机的耐高温永磁体则能从根本上解决永磁体高负荷、高温工况下的磁性能退化问题。


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