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新能源汽车电机发展趋势及测试评价研究

2019-07-18 浏览次数:1,514 次 EDC电驱未来

新能源汽车作为节能环保的新产品,其研究和开发得到了重视,成为当前汽车产业未来发展的方向。我国政府一直都非常重视交通领域对能源和环境的影响,在“九五”、“十五”和“十一五”期间相继投资启动了与节能相关的新能源汽车建设项目。“十二五”“十三五”规划则将节能减排作为汽车行业的发展方向,建议新能源汽车的推广列入国家的重要计划。新能源汽车的大力发展可以缩小我国汽车工业与发达国家汽车工业之间的差距,并可带动我国汽车相关产业与技术的发展。

新能源汽车的快速发展为新能源汽车电机行业的发展提供了很好机遇,驱动电机及其控制系统作为其核心部件之一,发展前景广阔。

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1 新能源汽车电机类型和选型分析

1.1 驱动电机的类型

新能源汽车的驱动电机主要包括:交流异步、永磁同步和开关磁阻电机。当前电机技术分类比较如表1所示,由此可知永磁同步电机综合量化得分最高,其效率和控制特性有较大优势,开关磁阻电机制造、成本优势较大。
1.2 新能源汽车驱动电机选型分析

直流电机系统具有成本低、控制简单等特点,是电动汽车最早采用的系统。随着电力、电子及自控技术等新技术的发展,交流异步电机、永磁同步电机和开关磁阻电机表现出比直流电机更为优越的性能,逐步取代了直流电机控制系统。

大多数新能源汽车电机采用永磁同步电机;一部分汽车公司采用交流异步电驱动系统。表2给出了国内外主要新能源汽车驱动电机类型及电机供应商,各个新能源汽车车型的驱动机选型基本与分析一致。

表1 驱动电机基本性能比较

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*为综合量化比较,未加权。

表2 部分国内外新能源汽车驱动电机选型

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2 新能源汽车电机发展现状

目前新能源汽车电机主要以永磁电机和感应电机为主,本文将着重介绍这两种电机发展现状。

2.1 国外新能源汽车驱动电机的发展现状

感应电机的代表当属特斯拉Model S。特斯拉汽车Tesla Model S P85D所搭载三相感应电动机最大功率可达515 kW(700 Ps),转速范围为12 000~20 000 r/min,加上双电机四驱设计,在减速机配合下,可轻易产生930 N·m的扭矩,令P85D的百千米时速加速在3.4 s内便可完成。Model S前后置双电机配置依靠特斯拉优化过的算法,可以根据不同的行驶状况产生不同的动力交错输出,保持汽车的高效运行。助于优异的控制算法和高效的铸铜转子异步电机,特斯拉无论是动力还是在节能、续航方面都有很大优势,纯电动模式续航里程可达426 km。

永磁同步电机的代表为丰田Prius系列。丰田公司在1997年便研发出世界上第一款成熟的混合动力汽车—Prius,迄今为止已发展到第4代。第4代Prius电机采用了分段线圈式定子,转子磁路结构也做了改变,电机的峰值功率为53 kW,峰值转矩为163 N·m,最高转速更是达到17 000 r/min。图1所示为Prius系列电机的转子结构图。从结构变化可以看出丰田对永磁同步电机设计研究逐渐深入,其转速及功率密度也不断提高,总的基调为增加直轴电感,增加凸极率。除Prius系列,丰田还研制了V一型转子结构的2008 Lexus LS600H,峰值功率为110 kW,峰值转矩为300 N·m,最高转速达到10 230 r/min,功率密度高达2.46 kW/kg。

奥迪混合动力汽车Q3驱动电机为永磁同步电机,其最大输出功率为32 kW,最高转速达到12 500 r/min。另一款Q5采用的永磁同步电机最大功率为40 kW(2 300 r/min),最高转矩为211 N·m,功率密度达到1.54 kW/kg。

宝马公司研发了宝马i3永磁同步电机。该电机充分发挥了内置式永磁同步电机的优势,电机总重约为42 kg,电机功率可达125 kW,扭矩可达250 N·m。

图2所示为宝马i3电机转子结构。从图2中可以看出i3电机转子的磁钢布局和槽形都非常的复杂和特殊,目的是减小电机磁链的条件下,增加电感凸极率。电机反电动势很小,但输出扭矩却很大;电机需要弱磁的车速很高(工况很少),而扭矩电流比却做得很大。

2.2 国内新能源汽车驱动电机的发展现状

借助于国家政策的支持与财政补贴,我国新能源车用电机得到了快速发展。国内很多高校、研究机构、汽车生产商相继投入到新能源汽车电机的研发中,并且取得了一定成果。

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图1 Prius系列转子结构图

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图2 宝马i3转子结构图

天津大学、天津清源公司研制的永磁同步电机及其控制系统的峰值功率为45 kW,最大转矩为99.5 N·m,系统最高效率为95%,功率密度为1.087 kW/kg。沈阳工业大学国家稀土永磁电机工程技术研究中心,研制出额定功率为20 kW,最大功率为40 kW,功率密度超过1.5 kW/kg的高功率密度永磁同步电机。江苏省交通科学研究院股份有限公司研制了100 kW电动汽车双绕组永磁同步电机,额定功率为100 kW,峰值功率为220 kW,额定扭矩为960 N·m,峰值扭矩为3 200 N·m,全转速全转矩范围具有两个高效运行区域,电机与驱动器总体效率不小于90%,高速与过载运行范围效率不小于80%。其效率云图如图3所示。

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图3 双绕组永磁同步电机效率云图

上海电驱动EM1269/EC1262型号车用永磁同步电机性能指数如下:峰值功率为94 kW,额定功率为45 kW,峰值转矩为225 N·m,额定转矩为100 N·m,额定转速4 300 r/min,峰值转速为12 000 r/min。

精进电机研发的驱动电机额定功率为85 kW,峰值功率为135 kW,额定转矩为325 N·m,峰值转矩为600 N·m,额定转速为2 500 r/min,峰值转速为6 000 r/min。

蔚来es8采用前后双异步电机,综合最大功率为480 kW,综合最大扭矩为840 N·m,纯电最大续航里程达到355 km。

安徽巨一永磁同步电动机额定功率为45 kW、峰值功率为90 kW,额定扭矩为86 N·m,峰值扭矩为230 N·m,额定转速为5 000 r/min,最高转速为12 000 r/min。

比亚迪e6采用的永磁电机额定功率为75 kW,峰值功率为90 kW,电动机总扭矩为450 N·m,最高车速为140 km/h,单次充电续航里程在综合工况下最大可达300 km。

目前,虽然我国新能源汽车动力技术有了突飞猛进的发展,但在高端技术等方面,与国际先进水平还具有一定差距。

2.3 新能源汽车驱动电机的发展趋势

图4所示为电机外特性曲线,标出了电机不同工作区域的特点及研发难点。结合新能源汽车电机的研发现状,新能源汽车电机的发展趋势如下:

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图4 电机外特性曲线

(1) 在广泛领域的高效率。汽车工况复杂,其电机需要在多个工作点运行,要实现新能源汽车高续航及节能要求,在广泛领域的高效率是重要的研究方向。

(2) 电机驱动系统的轻量化、小型化。电机作为驱动系统中重要的动力来源,电机驱动系统轻量化、小型化必然会使电机驱动系统集成化和一体化,在高性能电动汽车中,底盘系统、制动系统、电机传动系统已经实现一体化集成。

(3) 电机控制系统的数字化。高速高性能微处理器使得电驱动控制系统进入一个全数字化时代,在高性能高速的数字控制芯片的基础上,高性能的控制算法、复杂的控制理论得以实现,同时,使用面向用户的可视化编程,通过代码转化和下载直接进入微处理,将进一步提高编程效率和可调试性。

(4) 电机系统智能化。新能源汽车电机系统的数字化使机电一体化技术得到长足发展。目前国际上先进的电机系统已集成了诊断、保护、控制、通信等功能,可实现电机系统的自我诊断、自我保护、自我调速、远程控制等,电机系统智能化发展成为必然趋势。

3 新能源汽车驱动系统测试标准体系及评价

随着产业的蓬勃发展,行业对产品的性能评价体系逐步完善。目前,国内的新能源汽车准入要求中明确规定整车厂须具备动力系统、驱动系统、控制系统集成测试能力、电子电控测试系统功能测试能力。对于零部件厂商来说,测试开发能力也是重中之重。

3.1 新能源汽车驱动系统标准体系

目前主流新能源汽车驱动系统测试的标准体系如表3所示。

表3 国内新能源汽车驱动系统测试相关标准

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3.2 新能源汽车驱动系统测试项目

GB/T 18488.1—2015《电动汽车用驱动电机系统 第1部分:技术条件》和GB/T 18488.2—2015《电动汽车用驱动电机系统 第2部分:试验方法》主要针对的测试对象为新能源汽车中核心“三电”系统中的“驱动系统”和“电机”。电动汽车用驱动系统测试项目分类如表4所示。

表4 电动汽车用驱动系统测试项目分类

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3.3 新能源汽车驱动系统测试设备及仪器

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图5 电动汽车驱动电机及控制器测试系统结构

用于构成电动汽车用驱动系统的测试设备包括:试验电源、负载电源、变频负载电机和测量仪器。电动汽车驱动电机及控制器测试系统结构如图5所示。

试验电源将输入的三相交流电转换为可为被试控制器供电的直流电;负载电源可使用交流变频电源,变频负载电机需要与被测汽车驱动电机的最高转速能够匹配,一般选用高速变频电机;测量系统由电参数测量仪、交直流电流传感器、转矩-转速传感器和上位机控制软件组成。在对汽车驱动电机及控制器的测量中,除了需要测量电机的三相交流输入电压、三相交流输入电流、输入功率、功率因数等,还需要测量驱动器的直流输出电压、直流输出电流和电机输出的转矩、转速信号等。为了保证测试结果的准确性,测量时各参数读数必须同时读取。故使用的电参数测量仪应具有电参数测量通道4组以上,转矩-转速测量通道1组。测试系统的仪表精度应达到表5给出的各项需求。

表5 电动汽车用驱动系统测试项目分类

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通过测试控制软件,不仅可以实现对试验电源、负载电源及变频负载电机进行远程控制,根据试验需求对被试驱动电机系统进行自动或半自动的加载控制,还能根据试验需求,将收集到被测驱动电机系统的试验参数进行保存和自动计算,将计算结果转化为MAP图。

4 新能源汽车驱动系统评价有关的关键测试项目

4.1 高效工作区

4.1.1 测试目的

驱动电机系统效率是指驱动电机系统的以同一单位表示的输出功率与输入功率的百分比。高效工作区是指驱动电机系统分别在驱动或馈电状态下系统效率不低于80%的工作区域。

根据电机的转矩-转速特性试验的数据,分析驱动系统在不同工作状态下的效率分布,得出驱动电机及控制器系统的高效工作区以及高效工作区所占的比例,并找出最高效率点,以此判定驱动电机的相关特性。

4.1.2 测试仪器

主要有功率分析仪、转矩转速传感器、温度记录仪、流量计、电桥等。

4.1.3 试验方法

系统效率的测量采用直接测量系统的输入功率和输出功率的直接法进行。通常采用转矩转速传感器或测功机法测量机械功率,电功率采用功率分析仪配合电流传感器测定。

在驱动电机系统转矩转速工作范围内,选择不少于10个转速点。这些转速点一般在最高转速的10%至最高工作转速的范围内均匀选取,但必须包括额定转速点、最高转速点、持续功率对应的最低工作转速点以及其他有特殊定义的转速点;然后在每个转速点上,再均匀选取10个或以上的转矩点进行试验,这些转矩点应包括额定转矩点、峰值(最大)转矩点、额定功率曲线上的点、峰值(最大)功率曲线点以及其他有特殊定义的转矩点。根据以上原则,选择不小于100个合适的转矩转速点进行试验。试验在热态以及额定电压下,驱动器工作在电动或馈电状态下进行。

4.1.4 记录数据

主要有驱动电机控制器(母线直流电压和电流)、驱动电机(电参数、机械参数)、驱动电机系统或驱动电机控制器或驱动电机效率、驱动电机绕组温度、冷却介质温度流量。

4.1.5 计算公式

驱动电机控制器效率:

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式中: Pco——驱动电机控制器的输出电功率;

Pci——驱动电机控制器的输入电功率。

驱动电机效率:

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式中: Pmo——驱动电机的输出功率。驱动状态为机械功率,馈电状态下输出的为电功率;

Pmi——驱动电机的输入电功率。驱动状态为电功率,馈电状态下输出的为机械功率。

驱动电机系统电动状态效率:

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驱动电机系统馈电状态效率:

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式中: T——驱动电机轴端的转矩,单位为牛米(N·m);

n——驱动电机轴端的转速,单位为转每分钟(r/min);

U——驱动电机控制器直流母线电压平均值,单位为伏(V);

I——驱动电机控制器直流母线电流平均值,单位为安(A)。

4.1.6 结果整理与计算

根据所测得的每个转矩-转速点的数据,整理得出每个点的驱动器的效率、电机的效率以及驱动系统的效率;按照相关标准(如GB/T 18488.1-2015中5.4.9.2)对高效工作区的要求,统计符合条件的测试点数量,其值和总试验点数量的比值即为高效工作区的比例,所有测试点中效率最高值即为最高效率。

图6是本中心为某新能源汽车电机企业生产的额定功率/峰值功率为15/30 kW、额定转速/峰值转速为5 200/7 200 r/min的永磁同步电动机驱动状态下的效率MAP图,图6中横坐标为转速n(单位r/min),纵坐标为转矩T(单位N·m),其中效率等值线80.00所包围的区域为高效区(效率≥80%),该图反映此电机高效区占比为75%。

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图6 额定电压电动效率MAP图示例

4.2 馈电特性

4.2.1 测试目的

在驱动电机因惯性旋转或被拖动旋转时,驱动电机此时运行于发电机状态,驱动电机可通过控制器向电源馈电。

通过测取驱动电机及控制器系统在不同状态下的馈电性能,得出整个系统的馈电能力。结合高效工作区测试结果,用于测试驱动系统的省电节能性,并作为判定系统馈电能力是否合格的依据。

4.2.2 测试仪器

功率分析仪、转矩转速传感器。

4.2.3 试验方法

被试驱动电机在馈电状态下,驱动电机控制器工作于设定的直流母线电压、驱动电机在相应的工作负载和转速下进行馈电试验。

4.2.4 记录数据

驱动电机控制器(母线直流电压和电流)和驱动电机(电参数、机械参数)等。

4.2.5 计算公式

驱动电机系统馈电状态效率:

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4.2.6 结果整理与计算

馈电电压范围、馈电电流大小和馈电效率应符合产品技术文件规定。

图7是本中心为某新能源汽车电机企业生产的额定功率/峰值功率为15/30 kW、额定转速/峰值转速为5 200/7 200 r/min的永磁同步电动机馈电状态下的效率MAP图,图7中横坐标为转速n(单位r/min),纵坐标为转矩T(单位N·m),其中效率等值线80.00所包围的区域为高效区(效率≥80%),该图反映此电机高效区占比为78%。

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图7 额定电压馈电效率MAP图示例

4.3 控制精度

4.3.1 测试目的

控制精度是指测量值与设定值的偏差占设定值的百分比,分为转速控制精度和转矩控制精度。求取驱动电机及控制器系统的控制精度,作为判定系统控制能力的依据。

4.3.2 测试仪器

功率分析仪、转矩转速传感器等。

4.3.3 试验方法

① 控制精度-转速控制精度。该试验一般在热态下进行,驱动电机为空载状态,输入侧电压为额定电压。在10%~90%最高工作转速范围内,均匀取10个不同转速点作为目标转速值。电机首先处于静止状态,通过给驱动器一个目标转速值,使其由静止自行加速直至稳定。

② 控制精度-转矩控制精度。该试验一般在热态下进行,驱动电机为电动状态,输入侧电压为额定电压。在10%~90%峰值转矩范围内,均匀取10个不同转矩点作为目标转矩值。驱动电机首先工作在空载电动状态,此时陪试电机工作在一个预先设定的速度模式下,通过给驱动器一个目标转矩值,使其由空载自行加载直至转矩与转速都稳定。

4.3.4 记录数据

① 控制精度-转速控制精度。设定目标转速值、实际稳定转速值。

② 控制精度-转矩控制精度。设定目标转矩值、实际稳定转矩值。

4.3.5 计算公式

① 控制精度-转速控制精度:

转速控制精度

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式中: nt——转速测量值,单位为转每分钟(r/min);

nset——转速测定值,单位为转每分钟(r/min)。

② 控制精度-转矩控制精度:

转矩控制精度

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式中: Tt——转矩测量值,单位为牛米(N·m);

Tset——转矩测定值,单位为牛米(N·m)。

4.3.6 结果整理与计算

① 控制精度-转速控制精度:计算每个目标转速值与实际转速的差值或者偏差占比。取所有目标转速值中偏差最大的值作为整个系统的转速控制精度的判定依据。

② 控制精度-转矩控制精度:计算每个目标转矩值与实际转矩的差值或者偏差占比。取所有目标转矩值中偏差最大的值作为整个系统的在某个特定转速下的转矩控制精度的判定依据。

以下表格是本中心为某新能源汽车电机企业生产的永磁同步电机驱动系统进行的转矩控制精度测试数据,从测试数据可以反映该电机在低转矩下转矩控制精度偏差较大,最大达到7.78%,在转矩25 N·m以上转矩控制精度偏差较低。

表6 转矩控制精度

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4.4 响应时间

4.4.1 测试目的

响应时间指驱动电机控制器从接收指令信息开始到第一次达到响应期望值所经过的时间,分为转速响应时间和转矩响应时间。

求取驱动电机及控制器的转矩与转速响应时间,作为判定系统控制能力的依据。

4.4.2 测试仪器

功率分析仪、转矩转速传感器、函数曲线记录仪等。

4.4.3 试验方法

① 响应时间-转速响应时间。该试验一般在热态下进行,驱动电机为空载状态,输入侧电压为额定电压。该试验分5次进行,沿驱动电机转子圆周取5个点作为各次试验的起始置。各次试验开始时,电机处于静止状态,通过给驱动器一个目标转速值,使被试电机由静止状态自行加速直至转速稳定。

② 响应时间-转矩响应时间。该试验一般在热态下进行,驱动电机为堵转状态,输入侧电压为额定电压。该试验分5次进行,沿驱动电机转子圆周取5个点作为各次试验的起始位置。各次试验开始时,电机处于静止堵转状态,通过给驱动器一个目标转矩值,使被试电机静止状态自行加载直至转矩稳定。

4.4.4 记录数据

① 响应时间-转速响应时间。启动圆周位置、目标转速、每个起始点的转速-时间曲线。

② 响应时间-转矩响应时间。启动圆周位置、目标转矩、每个起始点的转矩-时间曲线。

4.4.5 结果判定

① 响应时间-转速响应时间。分析每个起始点的转速-时间曲线,得出该点的响应时间。取5次试验中时间最长的点作为该目标转速下的转速时间响应时间。

② 响应时间-转矩响应时间。分析每个起始点的转矩-时间曲线,得出该点的响应时间。取5次试验中时间最长的点作为该目标转矩下的转矩时间响应时间。

以下表格是本中心为某新能源汽车电机企业生产的永磁同步电机驱动系统进行的转矩响应时间测试数据,从测试数据可以反映该电机在达到同一目标转速(500 r/min)、同一目标转矩(90 N·m),5次不同的起始点情况下,每次的响应时间。从表7中可以看出,最大的响应时间为798 ms,最小的响应时间为689 ms。

5 结 语

电动汽车作为一种区别于依赖传统石油提供动能的普通汽车,使用电能作为其驱动能源的现代交通工具,对解决日趋严重的资源危机与环境污染问题起到了重要作用。我国政府非常重视电动汽车的研发创新,出台了相关发展规划,提供了良好的政策环境,支持鼓励与引导电动汽车的发展。电机作为新能源汽车电驱动系统的核心部件将成为未来的研究热点。新能源汽车驱动电机的发展将是整个新能源汽车产业发展的重中之重,新能源汽车驱动电机的评价对电机行业的发展有着广泛和重要的引领意义,希望本文研究的对新能源驱动电机评价有关的测试和分析能对行业的发展和进步起到一个抛砖引玉的作用。

表7 转矩控制精度

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