新能源車用電機的發展趨勢

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

電動車的發展史是螺旋上升的歷史。 從1834年美國人達溫坡特 (Davenpo rt) 在布蘭頓城街上演示他自己制造的小電池車開始,電動車逐漸發展達到興盛。19世紀末, 汽車制造成功, 由于汽車的性能遠高于電動車, 使電動車受到排擠。 20世紀60年代, 汽車已成為城市主要污染源, 70年代出現了石油危機, 這使電動車重又得到重視。 各國政府開始制定法規研制電動車。 現在, 汽車工業已發展成為國民經濟的支柱產業, 汽車已成為人們生活中不可缺少的一部分; 但同時, 汽車給城市造成了嚴重的污染, 而且全球已探明石油資源僅能開發使用40多年。 因此, 研究高性能的電動車以替代汽車是歷史的必然。 目前, 世界電動車的發展已由試運行向推廣應用方向過渡:日本從1996年開始向國內用戶銷售商品車,美國從1997年開始向美國用戶銷售商品車。中國的電動車目前處于研制階段。 為了促進國際廣泛的交流與合作, 國家科委和機械工業部在1996年12月6～ 15日舉辦了1996北京國際電動汽車及代用燃料汽車技術交流、 研討會暨展覽會。 就電動車發展中的各種問題進行了探討。 同時, 國內外的汽車生產廠家及國內的一些大專院校、 科研單位展出了自己研制的電動車。 本次會議反映了電動車的一些 研究成果, 從中也可以看出電動車用電機的發展趨勢。

2 制約電動車發展的關鍵

以電動車與傳統的燃油汽車進行比較,相當于以電池代替燃油,以電動機代替發動機。由于電池的能量密度遠遠低于燃油, 傳統結構電動機的性能又不能直接適用于電動車, 因此, 電池和電動機既是電動車的核心, 同時又是制約電動車發展的關鍵。

3 電動車用電機的發展趨勢

雖然各種各樣的驅動用電動機早已研究得很成熟, 但它們并不能直接適用于電動車,因為電動車有其特有的運行特點, 所以所用的電動機必須滿足這些特點才能獲得高性能。

3、1 電動車的特點電動車最顯著的特點是頻繁的起停、 加減速, 而不是運行于某一恒速下。近期, 電動車主要用于在污染比較嚴重的大中城市市區固定路線行駛和某些特殊場合, 如機場、 車站、 碼頭、 倉庫、 遂道和旅游區域等地方。 人們對電動車的1次充電行駛距離和 時速有一定要求, 但要求不是很高。 一般1次充電行駛50～ 100km , 時速在100km / h 以內就可滿足要求。從長遠看, 電動車要取代燃油汽車, 它的性能必須可與燃油汽車相比, 所以它的1次充電行駛距離和 時速都要大大提高。另外,可靠性和價格也是人們比較關注的問題。

3、2 電動車用電機應具備的特點

基于電動車的特點, 對所用的電動機就應有一定的要求。 為了提高 時速, 電動機應有較高的瞬時功率和功率密度 (W ö kg)。 為了提高1次充電行駛距離, 電動機應有較高的效率, 而且電動車是變速工作的, 所以電動機應有較高的高低速綜合效率。 電動車起動和爬坡時速度較低, 但要求力矩較大; 正常運行時需要的力矩較小, 而速度很高, 故用于電動車的電機的典型機械特性曲線如附圖所示。 即在低速時為恒轉矩特性, 高速時為恒功率特性, 且電動機的運行速度范圍應該較寬。另外, 電動機應堅固、 可靠, 且價格較低。

3、3 電動車用電機的發展趨勢

在電動車發展初期, 多采用直流電動機。在試制大客車時用串勵電動機, 在小客車及小貨車上用并勵、 復勵電動機。 隨著永磁材料的發展, 永磁直流電動機也有所應用。 直流電動機的優點是有比較好的控制特性。 但它重量大, 效率低, 價格貴, 而且由于電刷和滑環的存在, 需要維護, 電刷磨損又會造成不安全工作。 因此, 隨著電力電子器件的發展, 交流電動機逐漸成熟, 直流電動機逐漸被交流電動機所取代。 這次會議參展的電動機也以使用交流電動機為主。異步電動機以其低費用、 高可靠性、 高速、 低轉矩波動ö 噪聲和不用位置傳感器等優點而首先被選用, 矢量控制的異步電動機更以其優異的性能成了電動車的第一選擇。 本次參展的美國通用汽車公司的 EV 1、 福特汽車公司的 R anger EV 以及國內遠望公司的電動客車都采用了異步電動機。 以 EV 1為例, 其性能見附表, EV 1是曾在1990年芝加哥汽車博覽會上引起轟動的 “ 沖擊”( Impact) 概念車的商品化車。 可以看出, 它的續駛里程和 時速都達到很高的數值。 但同時可見, 電動機功率很大, 電池電壓很高, 其性能與電動機功率或與電池電壓的比值并不高。 這是由于異步電動機存在比較大的銅損, 使效率下降。 特別是在低速時, 效率更低, 這是它的致命弱點。以永磁同步電動機和無刷直流電動機為代表的交流永磁電動機以其低重量、 高效率這一特別的優勢而在電動車領域被廣泛應用。 目前這類電動機的價格偏高, 但隨著批量生產和永磁材料價格的進一步下降, 它的價格會下降。 這類電動機也有它的弱點, 由于功率電源電壓的限制, 原邊繞組的匝數不能超過一定數值。 因此, 對于電動機, 提高旋轉頻率和不增大電流而提供要求的輸出功率很困難。 即在高轉速下如要提供足夠的輸出功率就必須增大電流, 這就消耗了大量的電能, 降低了效率; 若不增大電流, 則輸出功率下降,電動車不能正常運行。 本次參展使用永磁同步電動機有代表性的是日本豐田公司的RAV 4 EV , 使用無刷直流電動機有代表性的是清華大學等研制的電動輕型客車和中科院北京三環公司的電動轎車。 它們的性能見附表。RAV 4 EV 使用了高性能的鎳氫電池, 其 時速和續駛里程都較高, 已達實用化階段。 清華大學和三環公司的電動車使用鉛酸電池, 指標也很高。

開關磁阻電機結構簡單、 緊密、 堅固、 效率高, 低速時可提供很大的轉矩, 且驅動器結構簡單, 它曾被專家預測為電動車領域的一匹黑馬。 它的缺點主要是振動和噪聲較大。 本次參展使用開關磁阻電機的典型電動車是意大利菲亞特公司的菲亞特500型電動車, 其性能見附表。 可以看出, 在一定功率下, 它所能提供的最大轉矩較大, 即最大轉矩與功率之比較大?？梢? 目前電動車使用的各種電動機各有優點, 同時又都有其不利的一面, 從而使它們并不能完全適合于電動車。 因此, 繼續開發適用于電動車的電動機仍是電機工作者的任務。 哈爾濱工業大學研究的多態電機就是這樣一種嘗試。 這是一種融混合式步進電動機和異步電動機的結構于一體的電機, 即在傳統的混合式步進電動機的轉子槽內配置一套籠型繞組[1, 2 ], 將定子鐵心分為兩段, 兩段定子鐵心之間放置一個軸向電磁勵磁線圈, 其余結構與混合式步進電動機相同。 低速時, 給電機定子繞組按混合式步進電動機方式供電, 則電機作為混合式步進電動機運行。 高速時, 給電機定子繞組按異步電動機方式供電,同時軸向電磁勵磁線圈通電產生對磁鋼去磁的軸向磁場, 使磁鋼對電機運行不產生或產生很小的影響, 這時電機作為異步電動機運行。 這樣, 這種多態電機同時具有混合式步進電動機低速時高轉矩和異步電動機高速時高效率的優點, 具有較高的高低速綜合性能和較寬的運行速度范圍。 這次參展的 EV 9621型電動轎車就是使用的這種多態電機, 目前這種電機仍正在研制中。

3、4 驅動方式的發展趨勢

傳統燃油汽車的驅動系統中包括發動機、 減速器和差速器。 這是由于內燃機的速度范圍窄, 必須用減速器來擴大速度范圍。 使用差速器是便于轉向。 減速器和差速器為一系列傳動齒輪, 它們在汽車運行中消耗一部分機械能, 使車輪得到的功率不到發動機功率的2ö 3, 大大降低了汽車的效率。 由于電動機與發動機的不同特點, 電動車可以采用四種驅動方式: 與傳統燃油汽車相同; 省略減速器; 進一步省略差速器, 電動機同軸驅動車輪, 即軸驅; 將電動機直接裝在車輪內, 即輪驅。 可以看出。 輪式驅動既完全消除了傳動中的機械磨損, 提高了傳動效率, 又具有最小的體積、 最輕的重量, 同時故障率降低。 因此, 輪式驅動是電動車 的驅動方式。 國內外對輪式驅動有過一定的研究, 如在第26屆東京M o to r 展覽會上, 東京電力公司推出的 IZA型電動車就采用了四輪直接驅動方式, 其 時 速 為 176km / h, 1 次 充 電 行 駛 距 離 為548km (以40km / h 恒速) , 用的是鎳鎘電池,它是當時性能 的電動車, 這無疑與輪式驅動方式有關。本次參展采用輪式驅動的只有兩家, 即中科院北京三環公司和哈爾濱工業大學的電動車。 因為輪式驅動控制方式較為復雜, 故需要在控制上多做工作。

4 結 論

a. 作為電動車用電機, 直流電動機已逐步被淘汰。

.b異步電動機、 交流永磁電動機和開關磁阻電動機都已被用來驅動電動車, 它們各有自己的優勢, 但也都有各自的弱點, 并不完全適合于電動車。

c. 進一步研究更適合于驅動電動車的電動機是電機工作者的任務。 多態電機是一種有前途的電機。

d. 輪式驅動是電動車 的驅動方式。