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電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)類(lèi)型選擇

2019-07-12 23:16:11·  來(lái)源：中國(guó)汽研汽車(chē)工程研發(fā)中心  
　
根據(jù)純電動(dòng)（BEV）、混合動(dòng)力汽車(chē)（HEV）、插電式混合動(dòng)力汽車(chē)（PHEV）電氣化程度不同，結(jié)合車(chē)輛結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、工況中電機(jī)的需求，總結(jié)通用汽車(chē)在電動(dòng)汽車(chē)生產(chǎn)方案中

根據(jù)純電動(dòng)（BEV）、混合動(dòng)力汽車(chē)（HEV）、插電式混合動(dòng)力汽車(chē)（PHEV）電氣化程度不同，結(jié)合車(chē)輛結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、工況中電機(jī)的需求，總結(jié)通用汽車(chē)在電動(dòng)汽車(chē)生產(chǎn)方案中電機(jī)類(lèi)型的選取。

1、概述

根據(jù)電氣化程度不同，車(chē)輛可分為下列幾種類(lèi)型：傳統(tǒng)燃油車(chē)、輕混、全混、插電式混合動(dòng)力汽車(chē)、增程式電動(dòng)汽車(chē)、純電動(dòng)汽車(chē)。

圖1 車(chē)輛電氣化程度分類(lèi)

車(chē)輛電氣化水平不同，電機(jī)的功率及電機(jī)功率損耗有很大不同。根據(jù)車(chē)輛的使用情況，電機(jī)連續(xù)運(yùn)行和峰值運(yùn)行存在較大區(qū)別，對(duì)電機(jī)的選型及其熱電磁設(shè)計(jì)有很大影響。

常用的車(chē)用電機(jī)（永磁同步電機(jī)PMSM、感應(yīng)電機(jī)IM和開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)SRM）高效區(qū)分布如圖2所示。下面分別對(duì)不同類(lèi)型電動(dòng)汽車(chē)電機(jī)類(lèi)型選擇進(jìn)行分析。

圖2 各類(lèi)型電機(jī)高效區(qū)分布

- 永磁同步電機(jī)：由于不需要?jiǎng)?lì)磁電流，永磁同步電機(jī)在標(biāo)稱轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)提供了較高的整體效率。永磁同步電動(dòng)機(jī)的主要損失是鐵損，主要發(fā)生在定子，可以通過(guò)機(jī)箱冷卻系統(tǒng)來(lái)消除。永磁同步電機(jī)的功率密度和等效電流密度都超過(guò)了感應(yīng)電機(jī)。其主要缺點(diǎn)是稀土磁體的成本相對(duì)較高。

- 感應(yīng)電機(jī)：感應(yīng)的主要損失是歐姆損耗。由于磁場(chǎng)減弱范圍內(nèi)的磁化電流較低，歐姆損耗減少，因此感應(yīng)電機(jī)提供了較寬的速度范圍及高速區(qū)內(nèi)相對(duì)較高的工作效率。缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)子的熱損耗，需要冷卻、限制過(guò)載容量；制造過(guò)程公差要小，以減少磁化電流，從而增加生產(chǎn)成本。

- 開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)：開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)提供了與感應(yīng)電機(jī)相似的功率密度和效率，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)轉(zhuǎn)子繞組，定子繞組集中，具有較好的熱性能；但低速時(shí)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大，控制相對(duì)復(fù)雜。

2、輕度混合動(dòng)力汽車(chē)

輕度混合動(dòng)力汽車(chē)搭載電機(jī)要滿足車(chē)輛起步助力時(shí)啟停需求，同時(shí)需要為車(chē)輛提供輔助動(dòng)力。因此，對(duì)于輕度混合動(dòng)力汽車(chē)的電機(jī)來(lái)說(shuō)，在驅(qū)動(dòng)模式下需要較高的啟動(dòng)和啟動(dòng)助力力矩，在較高的速度下需要相對(duì)較高的功率，以及在較寬的速度范圍內(nèi)能夠良好的恒功率工作。在輕度混合動(dòng)力系統(tǒng)中，電機(jī)通常是皮帶驅(qū)動(dòng)，時(shí)刻與發(fā)動(dòng)機(jī)相連，即使不產(chǎn)生任何扭矩也要與發(fā)動(dòng)機(jī)隨轉(zhuǎn)，則減小轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)損耗非常關(guān)鍵。感應(yīng)電機(jī)非常適合上述要求，同時(shí)與永磁電機(jī)相比，成本更低。通用Chevrolet Lacrosse mild-hybrid正是選用的感應(yīng)電機(jī)。

圖3 輕度混合動(dòng)力汽車(chē)電機(jī)轉(zhuǎn)矩、功率需求示意

3、全混/插電式混合動(dòng)力汽車(chē)

功率分流結(jié)構(gòu)在全混和插電式混合動(dòng)力汽車(chē)中很常見(jiàn)，通常有兩臺(tái)電機(jī)，一個(gè)電動(dòng)機(jī)、一個(gè)發(fā)電機(jī)，在很大程度上決定了電機(jī)的選型和結(jié)構(gòu)。

通用Cadillac CT6 PHEV功率流結(jié)構(gòu)如圖4所示，電機(jī)A在行星機(jī)構(gòu)內(nèi)隨轉(zhuǎn)，參與工作的情況比較少，多數(shù)時(shí)候不輸出扭矩或輸出很小的扭矩，因此CT6驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中電機(jī)A選用感應(yīng)電機(jī)。大多數(shù)情況能量流經(jīng)電機(jī)B，從圖5也可以看出電機(jī)轉(zhuǎn)速需求不高，扭矩需求范圍更寬，永磁電機(jī)能提供更高效率因而更適合，因此電機(jī)B選用永磁電機(jī)。

圖4 Cadillac CT6 PHEV功率流

(a) 電機(jī)A

(b) 電機(jī)B
圖5 卡迪拉克CT6在US06、Urban、Highway工況電機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩

4、純電動(dòng)或增程式電動(dòng)汽車(chē)

純電動(dòng)或增程式電動(dòng)汽車(chē)的電機(jī)工作負(fù)荷明顯高于全混合動(dòng)力或插電式混合動(dòng)力汽車(chē)的電機(jī)，電機(jī)轉(zhuǎn)矩和功率要求也較高。

純電動(dòng)汽車(chē)：通常采用單電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，同樣驅(qū)動(dòng)電機(jī)要能夠滿足所有車(chē)輛的加速和驅(qū)動(dòng)要求。第一代通用純電動(dòng)Chevrolet Spark采用低速永磁電機(jī)，選擇速比較小；第二代通用純電動(dòng)Chevrolet Bolt采用相對(duì)較高轉(zhuǎn)速的永磁電機(jī)，選擇速比較大。

增程式電動(dòng)汽車(chē)：在第一代通用Chevrolet Volt驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，采用功率分流結(jié)構(gòu)，主要驅(qū)動(dòng)電機(jī)為電機(jī)B，同時(shí)單電機(jī)驅(qū)動(dòng)模式也均由電機(jī)B驅(qū)動(dòng)，因此電機(jī)B需要滿足所有車(chē)輛的加速和驅(qū)動(dòng)要求，永磁同步電機(jī)更加適合。

圖6 Chevrolet Volt功率流

5、小結(jié)和展望

本文介紹了通用電動(dòng)汽車(chē)電機(jī)選型，針對(duì)車(chē)輛結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和運(yùn)行工況中電機(jī)工作特點(diǎn)，對(duì)電機(jī)類(lèi)型的選擇。后續(xù)文章我們將分析通用汽車(chē)新一代BEV/EREV相對(duì)于前一代電機(jī)設(shè)計(jì)上的優(yōu)化，敬請(qǐng)關(guān)注。
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