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请大家聊聊电动汽车的心脏——电机技术的当前发展概况?

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作为电动汽车三大核心技术——电机、电控和电池;可能大家聊得比较多的是电池(包括充电),而对其他两个领域谈的较少,为了更加全面的了解电动汽车的发展,今天在这里抛砖引玉,望大家不吝赐教。阳春白雪下里巴人,都来谈谈自己的看法吧。

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蒋应伟·20.00

2017-02-19提问

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全部答案 10

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要说电动汽车核心技术,首先个人有以下三个观点:

1 电机目前技术已经很成熟,从车辆力学诞生,到如何驱动车辆行驶,以及如何提供最大的能效,这个在19世纪就已经达到顶峰,目前应该不会再有大的突破,要说有突破那应该是电机制造材料上的,提高使用寿命,但是好像企业家都没这个动力。所以呢技术上进步不会太大了,因此大家都不把精力放这个上面了。

2 电控和电池,说这个我必须得提混合式动力汽车,因为现在纯电动汽车开出门溜一圈就放半路了,研究方向当然必须是电池,能否解决应用问题和生存,电池是核心。

3 在很长一段时间内混合动力汽车才是方向,而混合动力汽车会从弱混(化石燃料做主功率输出,典型代表丰田普锐斯)发展到强混(电能做主功率输出,代表比亚迪秦),最终才能到纯电动(特斯拉)。现在的电动汽车和电动摩托车一样,120里半径画圆可以。


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  小喵喵·0.00

2017-03-18回答

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个人是做BMS的,感觉身边人对于电动车聊得多的并不是题主所说的电池,而是电机,可能是这个跟周围人研究方向有关吧。对于电机这块不是很懂,说说身边的事吧。实验室,我们BMS团队人最少,同实验室有一个团队做永磁同步的,隔壁整个实验室做开关磁阻,博士好几个,这也使得在我们这群人里,总感觉研究开关磁阻更有前途。当然做实验的时候,也是各种互相伤害,开关磁阻电机噪声不得不说,真大,同样功率的电机,隔壁实验室一开电机,那声音,我们实验室同步机声音一对比小太多,整体调侃对面拖拉机,人家很淡定回了一句,到时候没有稀土,看你们这些永磁同步怎么过。

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  mushine·70.00

2017-02-20回答

嗯,可能是自己研究领域不同,身边的人群也不同。  蒋应伟 2017-02-21

我相信你是个有趣的人:)  蒋应伟 2017-02-21

哎,苦逼的工科生自娱自乐,实验很枯燥,只能靠与师兄弟们互相伤害来找乐子,这样也算是互相激励吧  mushine 2017-02-21

实验室师兄师弟,不应该是相互dota找快感嘛?  Enron.H 2017-02-25

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   目前国内电动汽车用电机的种类主要有以下几大类:直流电动机(DC);异步电动机;永磁电动机;开关磁阻电机(SRM)。

    直流电动机结构简单,也是电动汽车较早使用的驱动系统。但是直流电机采用电刷实现机械换向,而在实际使用过程中,电刷磨损很快,需要人员经常维护,可靠性嘛,不是很高。而且换向火花也限制了电机的高速运行,还有就是电机体积也较大。而感应电机结构牢固,加上现如今异步电机的矢量控制技术已十分成熟,它的调速控制性能优越,适合于高速、大功率的电动汽车。存在的缺点是在小负荷范围内效率低。再来看第三类永磁电机,它包括无刷直流电机和永磁同步电机两类。无刷直流电机比其它电机的效率和功率密度高,但在高速恒功率区域工作的弱磁控制难度大,而且转矩脉动大。而永磁交流同步电机采用正弦波供电,效率和功率密度高,在高速恒功率工作区域弱磁控制能力优于无刷直流电机,但它也存在过弱磁引起磁钢性能退化的问题,因此对于高恒功率比的特性,电机设计难度也是较大的。还有就是有一种混合励磁永磁无刷电机,它是一种特殊的永磁无刷电机,简单来说,是在电机中加入励磁绕组用以调节气隙磁通,这种电机在宽转速范围内具有高的效率。第四大类开关磁阻电机,也一直被认为是很有前途的电动汽车驱动电机(个人对其前景是比较看好的),它自身结构和变流器结构都简单可靠,转速范围宽、散热能力强、制动能量回收效率高,但也不可否认,目前噪声和转矩脉动问题使得这种电机目前没有达到商业化。   

   比较完了四大类电机性能的优劣,再补充一下电动汽车到底需要什么样的电机? 一般来说,电动汽车用电机的性能是比常用的工业用电机要求严格的。因为电动汽车的电机从储能系统中获取有限的能量来产生动作,所以在这种情况下就要求它在各种环境中的效率要高,从而能保证一次充电的续驶里程尽可能长。除此之外,搭载在车辆上的电机,其体积、重量一般应为工业用电机的1/2~1/3,也就是要求电机轻量化、小型化。汽车上的电机振动达到3~5g左右,而轮毂电机更达到20g,因此确保任何环境中电机的可靠性和长寿命非常重要,目前电动车用电机行业,研究广域高效率、高功率密度、高可靠性以及低成本、低噪声的电动汽车专用电机是电动汽车电力驱动系统的发展趋势。  

   目前市场上的电动汽车主要是用交流感应电机永磁电机,前者欧美国家使用较多,主要是成本低,但转速区间相对较小,效率低;而后者受日系车青睐,转速区间和效率都有所提升,但是需要使用昂贵的稀土永磁材料钕铁硼,我们都知道,日本是一个资源匮乏的国家,而且稀土价格很贵,所以现在小日本也正在潜力开发开关磁阻电机。   

   目前在我国国内的电动轿车中,多采用永磁同步电机,如:东风、长安、一汽和上汽等汽车公司生产的混合动力轿车,而大巴车多采用交流电机。直流电机在现代高性能车上的应用正在减少,但仍有一些汽车在应用,如山东陆骏电动汽车有限公司生产的陆骏电动汽车。 也有部分企业曾采用开关磁阻电机作为驱动电机,如东风汽车股份有限公司研制的混合动力城市公交车采用风冷式开关磁阻电机。由于中国稀土储量极大丰富,而且电机工艺已经接近世界先进水平,因此预计永磁电机将在较长时间内占据新能源汽车的电机市场。

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  Kria·60.00

2017-02-20回答

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   我是做电机驱动的,随便说说啦。

   电动汽车高性能电机驱动技术有两种:矢量控制技术和直接转矩控制技术。

   矢量控制是通过坐标变换实现磁链电流和转矩电流的解耦,从而实现电机的高性能控制,动态性能好,转矩脉动小;直接转矩控制是直接控制电机的转矩和磁链,基于滞环控制原理,选择合适的逆变器开关状态实现电机控制,转矩脉动大。利用这两种控制策略,实现电机转速和转矩的高性能控制,必须要解决一些关键问题:

   1)电机关键参数的辨识:定子、转子电阻,互感,漏感等

   2)磁链观测器的设计:鲁棒性好的闭环观测器设计。

   3)速度辨识:这样可以取消速度传感器,节约成本、增强系统稳定性

   4)弱磁控制:电机高速域的控制技术

   5)最大转矩电流比控制技术:该控制技术实现最小的电流产生最大的转矩,可以节能

   用于电动汽车的电机有两种:交流异步电机和交流永磁同步电机。

   异步电机:结构坚固,经久耐用,成本较低,效率较同步电机低

   同步电机:转子永磁体会随着温度改变而改变,时间久了会退磁,使用成本高,价格也高,但是永磁同步电机效率比异步电机高。

   综合比较,异步电机性价比高,而且通过专门的电机设计,异步电机的效率还能提升。特斯拉电动车的电机使用的就是自己设计异步电机。

   要实现电动汽车系统的节能控制,需要综合考虑驱动系统和电池系统设计。电动汽车在减速过程中,电机处于发电状态,如何将这部分能量通过 DC-DC变换与控制,实现电池充电将成为节能控制的关键。

   个人看法,仅供参考,如有不对的地方,请指正。

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  十月天·80.00

2017-02-20回答

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1.永磁同步电机的结构如图1所示,主体是有转子和定子组成。电机的定子指的是电机在运行过程中不动的部分,主要由硅钢冲压片,三相对称的分布在其槽中的绕组,固定铁心用的机壳以及端盖等部分组成。永磁同步电机的定子和异步电动机的定子结构基本相等。转子主要由永磁体,导磁轭和转轴构成。永磁体贴在导磁轭上,导磁轭为圆筒形,套在转轴上。

永磁同步电机的转子磁钢的几何形状不同,使得转子磁场在空间的分布可以分成正弦波和梯形波两种类型。习惯上又把正弦波永磁同步电动机组成的调速系统称为正弦型永磁同步电动机(PMSM)调速系统,而由梯形波(方波)永磁同步电动机组成的调速系统,在原理和控制方法上与直流电动机系统相似,故称这种系统为无刷直流电动机(BLDCM)调速系统。


图1:永磁同步电机结构

   永磁同步电机的工作原理是:当定子绕组中通入由三相逆变器经脉冲调制的共相交流电源后,绕组内会产生一圆形旋转磁场,永磁体会和旋转磁场产生相互作用,使转子(电机轴)旋转。电机转速计算公式为n=60f/p,f为电流频率,P为电机极对数。

2永磁同步电机伺服系统的现状及发展
早期对永磁同步电机的研究主要为固定频率供电的永磁同步电机运行特性的研究,特别是稳态特性和直接起动性能的研究。永磁同步电动机的直接起动是依靠阻尼绕组提供的异步转矩将电机加速到接近同步转速,然后由磁阻转矩和同步转矩将电机牵入同步。V.B.Honsinger和M.A.Rahman等人在这方面做了大量的研究工作。

上个世纪七十年代国外开始对逆变器供电的永磁同步电动机进行深入的研究。逆变器供电的永磁同步电机与直接起动的永磁同步电机的结构基本相同,但在大多数情况下无阻尼绕组。阻尼绕组有以下特点:第一,阻尼绕组产生热量,使永磁材料温度上升;第二,阻尼绕组增大转动惯量、使电机力矩惯量比下降;第三,阻尼绕组的齿槽使电机脉动力矩增大。在逆变器供电情况下,永磁同步电机的原有特性将会受到影响,其稳态特性和暂态特性与恒定频率下的永磁同步电机相比有不同的特点。

随着对永磁同步电机调速系统性能要求的不断提高,需要设计出高效率、高力矩惯量比、高能量密度的永磁同步电机,G.R.Slemon等人针对调速系统快速动态性能和高效率的要求,提出了现代永磁同步电机的设计方法。

当直流电动机和交流电动机相继出现时,最先得到快速发展并广泛应用的是直流调速系统。但是直流电动机机械换向的影响限制了直流调速系统的发展,人们一直在尝试研究没有换向器的交流调速系统。

早期的交流调速主要采用变压变频(VVVF)速度开环的方式,基频以下是恒压频比(V/F)控制,通过升频升压来提高转矩,基频以上采用弱磁升速。这种开环调速方式导致系统动态性能差,但控制电路简单,通用性强,是目前通用变频器产品中使用较多的一种控制方式,普遍用在风机、泵类的调速系统中。



   
图2 永磁同步电机VVVF控制调速系统框图


20世纪70年代,交流电机的控制技术取得突破性进展。德国工程师F.Blashke提出了矢量控制原理,该原理将原本复杂的永磁同步电机模型等效为dq转子同步坐标系下的模型,通过同步旋转变换实现定子电流直轴与交轴电流分量的解耦,达到磁链和转矩分别控制的目的,这样就把永磁同步电机化简为类似直流电机的模型。

20世纪80年代中期德国DePenbrock教授和日本Takallashi教授针对异步电机提出了直接转矩控制方法。这种控制方法避免了矢量控制里复杂的坐标变换和计算,使得控制系统简单明了,更易于数值化实现。

近些年来,各种智能控制逐渐被应用在电机控制上,比如自适应控制、模糊控制、神经网络控制等,这些方法客服常规方法对数学模型的依赖性特点,有效的提高了系统的鲁棒性和适应性,从而提升整个控制系统的性能。

电机控制器是伴随着电力电子技术和计算机等技术的发展而发展的。

最早的电机控制器是由模拟器件搭建的,其缺点是器件繁多、难以完成复杂的算法、设计复杂等。之后随着单片机的出现,电路结构得到简化,控制逻辑可用软件实现,控制精度高,有能力实现较复杂的控制算法,控制软件可以修改且不必改动硬件电路,灵活性和适应性强。然而,由于MCU一般采用班RISC流水总线结构,处理器速度有限,而且普通单片机通常不具有运动控制所需的专用外设,囚此,单片机系统仍然需要较多的外围元器件,增加系统的复杂性和可靠性,也难以满足大运算量的实时信号处理的需要。

随着人们对控制系统精度要求越来越高,控制器需要处理更多的数据,并且实时性要求很高的电机控制系统,如采用矢量变换控制的系统,MCU往往不能满足要求。越来越多的用户开始选用DSP器件来代替单片机完成电机控制,包括TI、MOTOROLA、AD等大公司在内的许多DSP厂商都相继推出了电机控制专用芯片,TMSF240X系列、DSP56FSOX系列等。这种基于哈佛结构的数字信号处理器,大大提高了数据的处理速度。

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2017-02-19回答

感谢回答,但请尊重原创,谢谢!  蒋应伟 2017-02-21

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