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干货丨详解电动汽车电机与电控技术解析

2020/11/27

电动汽车的电池讨论的比较多,但是同样重要的还有电机和电控。国内的技术水平到底如何?现阶段关于电动汽车关键零部件的讨论,大部分主要集中在对动力电池的讨论上,而电机电控等方面的探讨,却少之又少。究其原因,一方面是关于动力电池技术的发展上,不时有新技术与新热点出现,容易吸引媒体与读者的注意。

而电机电控方面,新技术新热点则少之又少;二是在电机电控领域,尤其是在电控领域,国内供应商还处于一个相对初级的阶段,所研发的产品还无法达到国际领先水平,这也极大的限制了广大消费者们对电机电控技术的关心。

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电机技术解析

所谓电机,顾名思义,就是将电能与机械能相互转换的一种电力元器件。当电能被转换成机械能时,电机表现出电动机的工作特性;当电能被转换成机械能时,电机表现出发电机的工作特性。大部分电动汽车在刹车制动的状态下,机械能将被转化成电能,通过发电机来给电池回馈充电。

电机主要由转子,定子绕组,转速传感器以及外壳,冷却等零部件组成。在新能源汽车领域,永磁同步电机被广泛使用。所谓永磁,指的是在制造电机转子时加入永磁体,使电机的性能得到进一步的提升。而所谓同步,则指的是转子的转速与定子绕组的电流频率始终保持一致。因此,通过控制电机的定子绕组输入电流频率,电动汽车的车速将最终被控制。而如何调节电流频率,则是电控部分所要解决的问题。

与其他类型的电机相比较,永磁同步电机的最大优点就是具有较高的功率密度与转矩密度,说白了,就是相比于其他种类的电机,在相同质量与体积下,永磁同步电机能够为新能源汽车提供最大的动力输出与加速度。这也是在对空间与自重要求极高的新能源汽车行业,为什么永磁同步电机是广大汽车制造商首选的主要原因。

除了永磁同步电机,异步电机也因特斯拉的使用而被广泛关注。与同步电机相比起来,电机转子的转速总是小于旋转磁场(由定子绕组电流产生)的转速。因此,转子看起来与定子绕组的电流频率总是“不一致”,这也是其为什么叫异步电机的原因。

相比于永磁同步电机,异步电机的优点是成本低,工艺简单;当然其缺点就是其功率密度与转矩密度要低于永磁同步电机。而特斯拉ModelS为何选用异步电机而不是永磁同步电机,除了控制成本这个主要原因之外,较大的ModelS车体能够有足够空间放的下相对大一点的异步电机,也是一个很重要的因素。

除了同步电机与异步电机之外,轮毂电机也是新能源汽车电机应用的一个热点。轮毂电机的最大特点就是,把车辆的动力装置、传动装置以及制动装置都整合一起到轮毂内。相比传统动力装置而言,轮毂电机的优点显而易见,由于省了大量的传动部件,车辆结构也相对简单;当然,在电机的同步控制,涉水密封等方面,轮毂电机依然还有很多问题需要解决。

电控技术解析

电控单元相当于传统汽车的ECU,是电动汽车上对高压零部件实现控制的主要执行单元。除了电机控制以外,对车载充电机,DC-DC单元等相关组件的控制,同样也是由电控单元来实现的。

电控单元的核心,便是对驱动电机的控制。动力单元的提供者--动力电池所提供的是直流电,而驱动电机所需要的,则是三相交流电。因此,电控单元所要实现的,便是在电力电子技术上称之为逆变的一个过程,即将动力电池端的直流电转换成电机输入侧的交流电。

现代电机的控制策略常见的有SVPWM(空间矢量脉宽调制技术)、DTC(直接转矩控制技术)、无速度传感器控制以及各种新颖的智能控制技术。众多的专家学者也在致力于改善电机控制,提高电机稳定性,增强电机抗干扰能力。

为实现逆变过程,电控单元需要直流母线电容,IGBT等组件来配合一起工作。当电流从动力电池端输出之后,首先需要经过直流母线电容用以消除谐波分量,之后,通过控制IGBT的开关以及其他控制单元的配合,直流电被最终逆变成交流电,并最终作为动力电机的输入电流。如前文所述,通过控制动力电机三相输入电流的频率以及配合动力电机上转速传感器与温度传感器的反馈值,电控单元最终实现对电机的控制。

除了对电机实现控制以为,电控单元也是车载充电机,DC-DC单元等组件的主控制机构。充电与电机控制正好相反,需要把电网提供的交流电转换成动力电池的直流电,也就是在电力电子学上称为整流的过程。而DC-DC单元,则是实现通过动力电池为12V电池充电的过程,电控单元需要把动力电池端的高压,转换成12V电池的低压端,用以最终实现为新能源汽车充电。

总结:电动汽车作为未来新能源应用的重要领域,虽然还有很多技术不够成熟,但这却是将来的发展新思路。电机控制在电动汽车中也会是制约其革命创新的关键环节。

 




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