关于新能源汽车上所用电机
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在HEV上是以电动机驱动作为发动机驱动的辅助动力,但又必须对电池组的质量和整车的整备质量进行限制,以减轻HEV的总质量。因此,一般电动-发电机只是在HEV发动机启动,车辆启动、加速或爬坡时起作用。电动-发电机又是发动机的飞轮,起调节发动机输出功率作用。电动-发电机还起发电机的作用,电动-发电机又是发动机的飞轮,起调节发动机输出功率作用。电动-发电机还起发电机的作用,将发动机的动能转换为电能,储存到电池组中去。在HEV下坡或制动时,将汽车惯性动能转换为电能,储存到电池组中去。因此,HEV有了电动机的辅助作用,就可以使HEV达到节能和“超低污染”的要求。电动机的种类很多,用途广泛,功率的覆盖面非常大。但HEV所采用的电动机种类少,功率覆盖面也较小。目前主要采用的交流电动机、永磁电动机和开关磁阻电动机,不管是电机本身还是它们的控制装置,成本都比较高,但随着电动机的电子计算机控制和机电一体化的加速发展,很多新技术正逐步运用到混合动力汽车(HEV)的电动机上,一旦形成大规模批量生产,所用电机乃至整车的成本都会得到大大降低。
(1)混合动力汽车用电动机的发展概况
蒸汽机启动了18世纪第一次产业革命以后,19世纪末到20世纪上半叶电机又引起了第二次产业革命,使人类进入了电气化时代。20世纪下半叶的信息技术引发了第三次产业革命,是生产和消费从工业化向自动化,智能化时代转变;推动了新一代高性能电机驱动系统与伺服系统的研究与发展。21世纪伊始,世界汽车工业又站在了革命的门槛上。虽然,汽车工业是推动社会现代化进程的重要动力,然而,汽车工业的发展也带来了环境污染愈烈和能源消耗过多两大问题。显然,加剧使用传统内燃机技术发展汽车工业,将会使这两大全球问题继续恶化。于是,电动车(包括纯电动车,混合动力汽车,燃料电池电动车)概念的提出,将会是未来世界汽车工业发展的新方向,不过就当今世界科技水平来说,混合动力汽车的研究与开发相比其它两种形式更具有现实意义,应该作为这一新方向的第一步。20世纪80年代前,几乎所有的电动车驱动电机均为直流电机,但随着电动车(混合动力汽车)性能的提高,其在高负载下转速的限制,体积大等缺点逐渐暴露,取而代之的是交流异步电机,永磁电机,开关磁阻电机以及新型的双凸极永磁电机,而上述电机在用于混合动力汽车上所表现出来的性能也是一个比一个优越。目前,双凸极永磁电机的机理和设计控制理论还有待于进一步的研究与完善,不过它作为混合动力汽车的电动机有着潜在的巨大优势。
(2)混合动力汽车对电动机的基本要求
a.从日本汽车公司开发电动汽车的研究和实践认为,在采用大功率的电动机来驱动HEV时,与采用小功率的电动机比较,具有电阻小,效率高,比能耗低,动力性能好等优点。但在目前的条件下,各种电池的比能量较小,理所当然地采用小功率的电动机,因而出现电阻大,效率低,比能耗高,动力性能差等问题。
b.混合动力汽车的电动机应具有较大范围内的调速性能,能够根据驾驶员对加速踏板和对制动踏板的控制,由中央控制器控制电动机与发动机之间动力的协调。以获得所需要的起动、加速、行驶、减速、制动等所需的功率与转矩,使它们达到与内燃机汽车加速踏板同样的控制效果。
c.混合动力汽车应具有最优化的能量利用,电动机应具有高效率、低损耗,并在车辆减速时实现能量回收并反馈回蓄电池,这点在内燃机汽车上是不能实现的。
d.电动机的质量,各种控制装置的质量和冷却系统的质量等也要求尽可能小,因此,大功率的高速电动机具有高性能,质量小等优点,在混合动力汽车得到了广泛地应用。另外,还要求电动机及控制装置在运转时的噪声要低。
e.各种电动机的电压,可以达到120~500V,对电气系统安全性和控制系统的安全性,都必须符合国家(或国际)有关车辆电气控制的安全性能的标准和规定,装置高压保护设备。
除此之外,还要求电动机可靠性好,耐温和耐潮性能强,能够在较恶劣的环境下长期工作,结构简单,适合大批量生产,运行时噪声低,使用维修方便,价格便宜等。
(3)混合动力汽车所用电动机的选择策略
在确定混合动力汽车所采用的电动机时,首先应采用技术成熟,性能可靠,控制方便和价格便宜的现成的电动机。一般情况下,电动机性能必须充分满足单独用电力驱动模式行驶工况时的要求。电动机在低速时应具有大的转矩和超载能力。在高速运转时,应具有大的功率和有较宽阔的恒功率范围。有足够的动力性能来克服整车的各种阻力,保证其有良好的起动,加速性能和行驶速度及实现制动时的能量回收。现在混合动力汽车上,主要采用能够实现变频、调速的高转速电动机,高速电机的转速可以达到1万~1.2万r/min,在高速运转时,有更大的功率和有较宽阔的恒功率范围,体积较小和质量较小,但要求装置高精度的高速轴衬,需要用高品质的材质来制作,并要保证高效率的冷却。
(4)双凸极永磁电动机的简介
传统的开关磁阻电机(SRM)虽然可靠性较高,结构十分简单,单位体积功率与异步电动机
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柴油发电机组
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1.
常用柴油发电机容量的确定按机组长期持续运行输出功率能满足全工程最大
计算负荷
选择,并应根据负荷的重要性确定发电机组备用机组容量。柴油机持续进行的输出功率,一般为标定功率的0.9倍。
2.
常用柴油发电机台数的确定常用柴油发电机组台数的设置通常为2台以上,以保证供电的连续性及适应
用电负荷
曲线的变化。机组台数多,才可以根据用电负荷的变化确定投入发电机组的进行台数,使柴油机经常是在经济负荷下运行,以减少
燃油消耗率
,降低发电成本。柴油机的最佳经济运行状态是在标定功率的75%-90%之间。为保证供电的连续性,常用机组本身应考虑设置备用机组,当进行机组故障检修或停机检查时,使发电机组仍然能够满足对重要用电负荷不间断地持续供电。
3.
常用柴油发电机转速的确定为了减少磨损,增加机组的使用寿命,常用发电机组宜选用标定转速不大于1000r/min的中、低速机组,其备用机组可选择中、高速机组。同一电站的机组应选用同型号、同容量的机组,以便使用相同的备用零部件,方便维修与管理。负荷变化大的工程,也可以选用同系列不同容量的机组。发电机输出标定电压的确定与应急发电机组相同,一般为400V,个别用电量大,输电距离远的工程可选用
高压发电机组
。
4.
常用柴油发电机组的控制常用机组一般应考虑能够并联进行,以简化配电主接线,使机组起动、停机轮换运行时,通过并车、转移负荷、切换机组而不致中断供电。机组应安装有机组的测量及控制装置,机组的调速及励磁调节装置应适用鱼并联进行的要求。对重要负荷供电的
备用发电机组
,宜选用
自动化柴油发电机组
当外电源故障断电后,能够迅速自动起动,恢复对重要负荷的供电。柴油机运行时机房噪声很大,自动化机组便于改造为隔室操作、自动监控的发电机组。当发电机组正常进行时,操作人员不必进入柴油机房,在
控制室
便可对柴油发电机组进行监控。
串联式动力由发动机、发电机和电动机三部分动力总成组成,它们之间用串联的方式组成SHEV的动力单元系统。负荷小时由电池驱动电动机带动车轮转动,负荷大时则由发动机带动发电机发电驱动电动机。当电动车处如启动、加速、爬坡的工况时,发动机-电动机组和电池组共同向电动机提供电能;当电动车处低速、滑行、怠速的工况时,则由电池组驱动电动机,由发动机-发电机组向电池组充电。这种串联式电动车不管在什么工况下,最终都要由电动机来驱动车轮。例如福特“新能级-2010”SHEV,其电池采用燃料电池,在城市市区行驶时全部由燃料电池驱动电动机,电动机通过减速器(变速器)和驱动桥驱动车轮,达到了“零排放”要求。当高速及爬坡时,则由发动机-电动机组和燃料电池组共同向电动机供电,驱动车轮。
并联式装置的发动机和电动机以机械能叠加的方式驱动汽车,发动机与电动机分属两套系统,可以分别独立地向汽车传动系提供扭矩,在不同的路面上既可以共同驱动又可以单独驱动。电动机既可以作电动机又可以作发电机使用,又称为电动-发电机组。由于没有单独的发电机,发动机可以直接通过传动机构驱动车轮,因此该装置更接近传统的汽车驱动系统,得到比较广泛的应用。例如大众汽车公司的高尔夫PHEV,发动机通过离合器1带动电动-发电机,输出扭力再通过另一边离合器2驱动车辆行驶。静止启动时,电池向电动-发电机供电,此时电动-发电机就是发动机的起动机。发动机启动后,发动机一方面作为车辆单独的动力源驱动车轮,另一方面又带动电动-发电机发电向电池充电,此时与传统汽车一样。在市区行驶时,发动机关闭,离合器1脱开,离合器2接合,电池做为唯一能源向电动机供电,由电动机取代发动机驱动车轮。当电动车需要高速或高负荷时,发动机启动离合器1闭合,发动机与电动-发电机系统组成复合驱动形式,以最大功率驱动车辆。
混合动力汽车在发达国家已经日益成熟,有些已经进入实用阶段。由于构造复杂,成本较高,在电动汽车时代到来之前,混合动力型汽车只是一种过渡产品。
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1、高电压。在允许范围内,应尽可能采用高电压,以减小电机和电线等设备的尺寸,尤其是降低逆变器成本。
2、高转速。电动车用感应电机转速可达8000-12000转/分钟。
3、体积小、重量轻。电机采用铝合金外壳等方式可以减轻电机重量,各种控制装置和冷却系统的材料也应尽可能采用轻质材料。
4、起动转矩大和大范围的调速性能,以满足起动、加速、驱动、减速、制动等所需的功率和转矩。电机应具有自动调速功能,以降低驾驶员的控制强度,提高驾驶舒适性,并实现与内燃机车辆油门踏板相同的控制响应。
5、过载能力为4-5倍,以满足短期加速和最大爬坡能力的要求。
应用特点
无刷直流电动机之所以被广泛应用于电动车,是因为它与传统的有刷直流电动机相比具有以下二方面的优势。
(1)寿命长、免维护、可靠性高。在有刷直流电动机中,由于电机转速较高,电刷和换向器磨损较快,一般工作1000小时左右就需更换电刷。另外其减速齿轮箱的技术难度较大,特别是传动齿轮的润滑问题,所以有刷电机就存在噪声大、效率低、易产生故障等问题。因此无刷直流电动机的优势很明显。
(2)效率高、节能。一般而言,因无刷直流电动机没有机械换向的磨擦损耗及齿轮箱的消耗,以及调速电路损耗,效率通常可高于85%,但考虑到实际设计中的最高性价比,为减少材料消耗,一般设计为76%。而有刷直流电动机的效率由于齿轮箱和超越离合器的消耗,通常在70%左右。