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電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電機(jī)逆變器

2020-07-05 17:40:57·  來(lái)源：辣筆小星  
　
隨著新能源電動(dòng)汽車(chē)的快速普及，很多朋友開(kāi)始關(guān)注電動(dòng)汽車(chē)作為未來(lái)買(mǎi)車(chē)的方向。那么問(wèn)題來(lái)了，電動(dòng)汽車(chē)的電機(jī)是如何為汽車(chē)提供動(dòng)力的，它和小時(shí)候玩的四驅(qū)方程式
 
隨著新能源電動(dòng)汽車(chē)的快速普及，很多朋友開(kāi)始關(guān)注電動(dòng)汽車(chē)作為未來(lái)買(mǎi)車(chē)的方向。那么問(wèn)題來(lái)了，電動(dòng)汽車(chē)的電機(jī)是如何為汽車(chē)提供動(dòng)力的，它和小時(shí)候玩的四驅(qū)方程式賽車(chē)玩具用的直流電機(jī)有什么區(qū)別呢？今天讓我們?cè)敿?xì)聊聊動(dòng)力電機(jī)逆變器是怎么回事。
 
什么是動(dòng)力電機(jī)逆變器
逆變器是一種把直流電（蓄電池）轉(zhuǎn)變成變頻變壓交流電的能量轉(zhuǎn)化裝置。
 
↑賽車(chē)玩具直流電機(jī)工作原理
那么新能源電動(dòng)汽車(chē)使用的動(dòng)力電機(jī)又和小時(shí)候玩的四驅(qū)方程式賽車(chē)玩具用的直流電機(jī)有什么區(qū)別呢？玩具中使用2節(jié)5號(hào)電池就能讓電機(jī)帶著前后四個(gè)車(chē)輪高速旋轉(zhuǎn)。其中使用的直流電機(jī)采用永磁的定子提供固定磁場(chǎng)，而直流電通過(guò)電刷組成的換向器在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)從而推動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。
 
↑電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電機(jī)工作原理
而新能源動(dòng)力電機(jī)由于電壓高功率大，因此考慮到更高效率和更長(zhǎng)壽命，采用不需要電刷換向器的交流電機(jī)?？梢酝ㄟ^(guò)交流電在定子上產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)，從而擺脫電刷換向器的束縛，推動(dòng)轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的作用下達(dá)到所需的轉(zhuǎn)速和扭矩。動(dòng)力電機(jī)逆變器這個(gè)能量轉(zhuǎn)化裝置將動(dòng)力電池的高壓直流電轉(zhuǎn)換為動(dòng)力電機(jī)所需的交流電。是不是覺(jué)得很高深難懂？我們直接看動(dòng)畫(huà)吧。
什么是動(dòng)力電機(jī)逆變器的技術(shù)關(guān)鍵
 
↑動(dòng)力電機(jī)逆變器關(guān)鍵部件
動(dòng)力電機(jī)逆變器為驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供所需的交流電，它將來(lái)自高壓蓄電池的直流電在功率電子控制器內(nèi)部利用6個(gè)IGBT或碳化硅半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)模塊組成三相開(kāi)關(guān)電路轉(zhuǎn)化為交流電。這個(gè)轉(zhuǎn)換是通過(guò)脈沖寬度調(diào)制來(lái)進(jìn)行的。驅(qū)動(dòng)電機(jī)的扭矩和轉(zhuǎn)速建立分別通過(guò)改變脈沖寬度和頻率來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)。PWM信號(hào)的脈沖寬度導(dǎo)通時(shí)間越長(zhǎng)則扭矩越大，頻率越高則轉(zhuǎn)速越高。
 
↑動(dòng)力電機(jī)逆變器工作原理
同時(shí)動(dòng)力電機(jī)逆變器通過(guò)交流電產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)必須與轉(zhuǎn)子的永磁磁場(chǎng)達(dá)到精確同步，或者與轉(zhuǎn)子的感應(yīng)磁場(chǎng)達(dá)到可控的異步。其中轉(zhuǎn)子位置傳感器是動(dòng)力電機(jī)逆變器可靠工作的核心。轉(zhuǎn)子位置傳感器通過(guò)旋轉(zhuǎn)變壓器的原理，由固定在定子上的多個(gè)感應(yīng)線圈和固定在轉(zhuǎn)子上的金屬制凸輪盤(pán)組成。每個(gè)感應(yīng)線圈中有一個(gè)勵(lì)磁繞組和兩個(gè)次級(jí)繞組。
 
↑動(dòng)力電機(jī)轉(zhuǎn)子位置傳感器和工作原理
當(dāng)動(dòng)力電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)帶動(dòng)凸輪盤(pán)旋轉(zhuǎn)，凸輪凸起部位從一個(gè)線圈移動(dòng)到另一個(gè)線圈，這就增強(qiáng)了次級(jí)繞組中的磁感應(yīng)強(qiáng)度。由于每個(gè)線圈中的次級(jí)繞組1和2繞線圈數(shù)不同，因此幅度就錯(cuò)開(kāi)了90°。根據(jù)幅度調(diào)制的電壓信號(hào)就可以計(jì)算出動(dòng)力電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置和轉(zhuǎn)速。由于動(dòng)力電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度非常高，這些轉(zhuǎn)子位置傳感器中的旋轉(zhuǎn)變壓器幅度調(diào)制電壓信號(hào)一般由專(zhuān)用模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片完成轉(zhuǎn)子位置的高精度測(cè)量。
動(dòng)力電機(jī)逆變器的系統(tǒng)組成和分類(lèi)
 
↑動(dòng)力電機(jī)逆變器系統(tǒng)組成
動(dòng)力電機(jī)的能量傳輸過(guò)程包括：能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)的直流電能，在動(dòng)力控制系統(tǒng)的功率控制下將直流電轉(zhuǎn)換成交流電提供給電動(dòng)機(jī)單元，電動(dòng)機(jī)單元內(nèi)的轉(zhuǎn)子在交流電所產(chǎn)生的磁場(chǎng)的作用下旋轉(zhuǎn)，從而將電能轉(zhuǎn)變成機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)力，通過(guò)輸出軸將該轉(zhuǎn)動(dòng)力輸出至變速箱單元，變速箱單元通過(guò)其內(nèi)部的各齒輪機(jī)構(gòu)的配合使該轉(zhuǎn)動(dòng)減速，并經(jīng)過(guò)差速齒輪的調(diào)整后，輸出至車(chē)輪的半軸。
 
↑永磁同步電機(jī)（左）和異步感應(yīng)電機(jī)（右）內(nèi)部結(jié)構(gòu)
從異步感應(yīng)電機(jī)和永磁同步電機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)就可以很明顯區(qū)分兩種電機(jī)技術(shù)。永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子為永久磁體，英文簡(jiǎn)稱(chēng)PMSM。而異步感應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)子不是磁體而是封閉線圈，也就是俗稱(chēng)的鼠籠結(jié)構(gòu)，英文簡(jiǎn)稱(chēng)ACIM。異步感應(yīng)電機(jī)定子通過(guò)動(dòng)力電機(jī)逆變器獲得交流電，定子繞組內(nèi)的電流產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。異步電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)要稍慢于定子的轉(zhuǎn)動(dòng)磁場(chǎng)。于是在轉(zhuǎn)子的鋁制籠內(nèi)感應(yīng)出電流，從而疊加磁場(chǎng)產(chǎn)生扭矩。
 
↑異步感應(yīng)電機(jī)的定子與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)
那么異步感應(yīng)電機(jī)相比永磁同步電機(jī)有哪些不同呢？以蔚來(lái)汽車(chē)永磁同步電機(jī)與異步感應(yīng)電機(jī)為例，進(jìn)行一下對(duì)比。首先，異步感應(yīng)電機(jī)具有更高的轉(zhuǎn)速極限，最高可達(dá)15000轉(zhuǎn)每分鐘。并且有更強(qiáng)的過(guò)載能力，最大可達(dá)額定值的5倍。同時(shí)異步感應(yīng)交流電機(jī)具有結(jié)構(gòu)堅(jiān)固性好、成本低和可靠性好的優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)然它也存在著短板，那就是，峰值效率最高95%略低于永磁同步交流電機(jī)的97%。另外電機(jī)的外形尺寸異步感應(yīng)交流電機(jī)相比較永磁同步交流電機(jī)在相同功率下也要大一些。因此兩種技術(shù)并沒(méi)有孰優(yōu)孰劣之分。而是根據(jù)不同的車(chē)型特性來(lái)匹配相應(yīng)的電機(jī)技術(shù)，從而找到最優(yōu)解。
 
↑蔚來(lái)汽車(chē)永磁同步電機(jī)（左）與異步感應(yīng)電機(jī)（右）
綜上所述，我們介紹了電動(dòng)汽車(chē)的電機(jī)是如何為汽車(chē)提供動(dòng)力的，它和賽車(chē)玩具直流電機(jī)的區(qū)別。一方面逆變器將來(lái)自高壓直流電利用IGBT或碳化硅開(kāi)關(guān)模塊轉(zhuǎn)化為交流電。另一方面是轉(zhuǎn)子位置傳感器利用旋轉(zhuǎn)變壓器原理為逆變器提供轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速信息。根據(jù)永磁同步或感應(yīng)異步電機(jī)的不同特性，逆變器相應(yīng)控制動(dòng)力電機(jī)達(dá)到相應(yīng)的轉(zhuǎn)速和扭矩。
 
 
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