新能源车用电机的发展趋势

　　曾群

　　Developing tendency of electric vehicle motors

　　Zeng Qun

　　【Abstract】In the light of developing process of electrically operated vehicle and Beijing conference on it, the thesis discusses the developing tendency of mo to r used in the vehicle and simply expounds the developing tendency of driving pattern of the vehicle.

　　【Keywords】Electrically operated vehicle, motor, drive, develop, tendency

　　1 引 言

　　电动车的发展史是螺旋上升的历史。 从1834年美国人达温坡特 (Davenpo rt) 在布兰顿城街上演示他自己制造的小电池车开始,电动车逐渐发展达到兴盛。19世纪末, 汽车制造成功, 由于汽车的性能远高于电动车, 使电动车受到排挤。 20世纪60年代, 汽车已成为城市主要污染源, 70年代出现了石油危机, 这使电动车重又得到重视。 各国政府开始制定法规研制电动车。 现在, 汽车工业已发展成为国民经济的支柱产业, 汽车已成为人们生活中不可缺少的一部分; 但同时, 汽车给城市造成了严重的污染, 而且全球已探明石油资源仅能开发使用40多年。 因此, 研究高性能的电动车以替代汽车是历史的必然。 目前, 世界电动车的发展已由试运行向推广应用方向过渡:日本从1996年开始向国内用户销售商品车,美国从1997年开始向美国用户销售商品车。中国的电动车目前处于研制阶段。 为了促进国际广泛的交流与合作, 国家科委和机械工业部在1996年12月6～ 15日举办了1996北京国际电动汽车及代用燃料汽车技术交流、 研讨会暨展览会。 就电动车发展中的各种问题进行了探讨。 同时, 国内外的汽车生产厂家及国内的一些大专院校、 科研单位展出了自己研制的电动车。 本次会议反映了电动车的一些 研究成果, 从中也可以看出电动车用电机的发展趋势。

　　2 制约电动车发展的关键

　　以电动车与传统的燃油汽车进行比较,相当于以电池代替燃油,以电动机代替发动机。由于电池的能量密度远远低于燃油, 传统结构电动机的性能又不能直接适用于电动车, 因此, 电池和电动机既是电动车的核心, 同时又是制约电动车发展的关键。

　　3 电动车用电机的发展趋势

　　虽然各种各样的驱动用电动机早已研究得很成熟, 但它们并不能直接适用于电动车,因为电动车有其特有的运行特点, 所以所用的电动机必须满足这些特点才能获得高性能。

　　3、1 电动车的特点电动车最显著的特点是频繁的起停、 加减速, 而不是运行于某一恒速下。近期, 电动车主要用于在污染比较严重的大中城市市区固定路线行驶和某些特殊场合, 如机场、 车站、 码头、 仓库、 遂道和旅游区域等地方。 人们对电动车的1次充电行驶距离和 时速有一定要求, 但要求不是很高。 一般1次充电行驶50～ 100km , 时速在100km / h 以内就可满足要求。从长远看, 电动车要取代燃油汽车, 它的性能必须可与燃油汽车相比, 所以它的1次充电行驶距离和 时速都要大大提高。另外,可靠性和价格也是人们比较关注的问题。

　　3、2 电动车用电机应具备的特点

　　基于电动车的特点, 对所用的电动机就应有一定的要求。 为了提高 时速, 电动机应有较高的瞬时功率和功率密度 (W ö kg)。 为了提高1次充电行驶距离, 电动机应有较高的效率, 而且电动车是变速工作的, 所以电动机应有较高的高低速综合效率。 电动车起动和爬坡时速度较低, 但要求力矩较大; 正常运行时需要的力矩较小, 而速度很高, 故用于电动车的电机的典型机械特性曲线如附图所示。 即在低速时为恒转矩特性, 高速时为恒功率特性, 且电动机的运行速度范围应该较宽。另外, 电动机应坚固、 可靠, 且价格较低。

　　3、3 电动车用电机的发展趋势

　　在电动车发展初期, 多采用直流电动机。在试制大客车时用串励电动机, 在小客车及小货车上用并励、 复励电动机。 随着永磁材料的发展, 永磁直流电动机也有所应用。 直流电动机的优点是有比较好的控制特性。 但它重量大, 效率低, 价格贵, 而且由于电刷和滑环的存在, 需要维护, 电刷磨损又会造成不安全工作。 因此, 随着电力电子器件的发展, 交流电动机逐渐成熟, 直流电动机逐渐被交流电动机所取代。 这次会议参展的电动机也以使用交流电动机为主。异步电动机以其低费用、 高可靠性、 高速、 低转矩波动ö 噪声和不用位置传感器等优点而首先被选用, 矢量控制的异步电动机更以其优异的性能成了电动车的第一选择。 本次参展的美国通用汽车公司的 EV 1、 福特汽车公司的 R anger EV 以及国内远望公司的电动客车都采用了异步电动机。 以 EV 1为例, 其性能见附表, EV 1是曾在1990年芝加哥汽车博览会上引起轰动的 “ 冲击”( Impact) 概念车的商品化车。 可以看出, 它的续驶里程和 时速都达到很高的数值。 但同时可见, 电动机功率很大, 电池电压很高, 其性能与电动机功率或与电池电压的比值并不高。 这是由于异步电动机存在比较大的铜损, 使效率下降。 特别是在低速时, 效率更低, 这是它的致命弱点。以永磁同步电动机和无刷直流电动机为代表的交流永磁电动机以其低重量、 高效率这一特别的优势而在电动车领域被广泛应用。 目前这类电动机的价格偏高, 但随着批量生产和永磁材料价格的进一步下降, 它的价格会下降。 这类电动机也有它的弱点, 由于功率电源电压的限制, 原边绕组的匝数不能超过一定数值。 因此, 对于电动机, 提高旋转频率和不增大电流而提供要求的输出功率很困难。 即在高转速下如要提供足够的输出功率就必须增大电流, 这就消耗了大量的电能, 降低了效率; 若不增大电流, 则输出功率下降,电动车不能正常运行。 本次参展使用永磁同步电动机有代表性的是日本丰田公司的RAV 4 EV , 使用无刷直流电动机有代表性的是清华大学等研制的电动轻型客车和中科院北京三环公司的电动轿车。 它们的性能见附表。RAV 4 EV 使用了高性能的镍氢电池, 其 时速和续驶里程都较高, 已达实用化阶段。 清华大学和三环公司的电动车使用铅酸电池, 指标也很高。

　　开关磁阻电机结构简单、 紧密、 坚固、 效率高, 低速时可提供很大的转矩, 且驱动器结构简单, 它曾被专家预测为电动车领域的一匹黑马。 它的缺点主要是振动和噪声较大。 本次参展使用开关磁阻电机的典型电动车是意大利菲亚特公司的菲亚特500型电动车, 其性能见附表。 可以看出, 在一定功率下, 它所能提供的最大转矩较大, 即最大转矩与功率之比较大。可见, 目前电动车使用的各种电动机各有优点, 同时又都有其不利的一面, 从而使它们并不能完全适合于电动车。 因此, 继续开发适用于电动车的电动机仍是电机工作者的任务。 哈尔滨工业大学研究的多态电机就是这样一种尝试。 这是一种融混合式步进电动机和异步电动机的结构于一体的电机, 即在传统的混合式步进电动机的转子槽内配置一套笼型绕组[1, 2 ], 将定子铁心分为两段, 两段定子铁心之间放置一个轴向电磁励磁线圈, 其余结构与混合式步进电动机相同。 低速时, 给电机定子绕组按混合式步进电动机方式供电, 则电机作为混合式步进电动机运行。 高速时, 给电机定子绕组按异步电动机方式供电,同时轴向电磁励磁线圈通电产生对磁钢去磁的轴向磁场, 使磁钢对电机运行不产生或产生很小的影响, 这时电机作为异步电动机运行。 这样, 这种多态电机同时具有混合式步进电动机低速时高转矩和异步电动机高速时高效率的优点, 具有较高的高低速综合性能和较宽的运行速度范围。 这次参展的 EV 9621型电动轿车就是使用的这种多态电机, 目前这种电机仍正在研制中。

　　3、4 驱动方式的发展趋势

　　传统燃油汽车的驱动系统中包括发动机、 减速器和差速器。 这是由于内燃机的速度范围窄, 必须用减速器来扩大速度范围。 使用差速器是便于转向。 减速器和差速器为一系列传动齿轮, 它们在汽车运行中消耗一部分机械能, 使车轮得到的功率不到发动机功率的2ö 3, 大大降低了汽车的效率。 由于电动机与发动机的不同特点, 电动车可以采用四种驱动方式: 与传统燃油汽车相同; 省略减速器; 进一步省略差速器, 电动机同轴驱动车轮, 即轴驱; 将电动机直接装在车轮内, 即轮驱。 可以看出。 轮式驱动既完全消除了传动中的机械磨损, 提高了传动效率, 又具有最小的体积、 最轻的重量, 同时故障率降低。 因此, 轮式驱动是电动车 的驱动方式。 国内外对轮式驱动有过一定的研究, 如在第26届东京M o to r 展览会上, 东京电力公司推出的 IZA型电动车就采用了四轮直接驱动方式, 其 时 速 为 176km / h, 1 次 充 电 行 驶 距 离 为548km (以40km / h 恒速) , 用的是镍镉电池,它是当时性能 的电动车, 这无疑与轮式驱动方式有关。本次参展采用轮式驱动的只有两家, 即中科院北京三环公司和哈尔滨工业大学的电动车。 因为轮式驱动控制方式较为复杂, 故需要在控制上多做工作。

　　4 结 论

　　a. 作为电动车用电机, 直流电动机已逐步被淘汰。

　　.b异步电动机、 交流永磁电动机和开关磁阻电动机都已被用来驱动电动车, 它们各有自己的优势, 但也都有各自的弱点, 并不完全适合于电动车。

　　c. 进一步研究更适合于驱动电动车的电动机是电机工作者的任务。 多态电机是一种有前途的电机。

　　d. 轮式驱动是电动车 的驱动方式。

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