《新能源汽车技术》第3章课件.ppt

1、新能源汽车技术1、熟悉电动汽车电机驱动系统的组成、功能及种类2、掌握电动汽车对电动机的要求3、掌握异步电动机、永磁同步电动机、开关磁阻电动机、轮毂电动机的结构和工作原理4、熟悉电动机模块的常见故障及排除方法第三章电动汽车电机驱动系统本章目标本章目标1第三章电动汽车电机驱动系统三相异步交流电动机三相异步交流电动机概概 述述直流电动机直流电动机永磁同步电动机永磁同步电动机1234开关磁阻电动机开关磁阻电动机5轮毂电动机轮毂电动机6电动机模块常见故障及排除方法电动机模块常见故障及排除方法721.1 电动汽车电机驱动系统的组成及功能电动汽车电机驱动系统的组成及功能电动机驱动系统的组成框图 电机驱动系统

2、是新能源汽车车辆行驶中的主要执行结构，其驱动特性决定了汽车行驶的主要性能指标。第一节第一节 概述概述31.2 电动汽车对电动机的要求电动汽车对电动机的要求要 求 在恒转矩区，要求低速运行时具有大转矩；在恒功率区，要求低转矩时具有高的速度。具有瞬时功率大、带负载启动性能好、过载能力强、加速性能好、使用寿命长的特点。应能够在汽车减速时实现再生制动，将能量回收并反馈给蓄电池要 求 具有很高的效率 应可靠性好 应体积小、质量轻要 求 结构要简单坚固 应价格便宜 运行时应噪声低，减少污染41.3 电动汽车驱动电动机的种类电动汽车驱动电动机的种类现代电动汽车所采用的各种电动机5第三章电动汽车电机驱动系统三

3、相异步交流电动机三相异步交流电动机概概 述述直流电动机直流电动机永磁同步电动机永磁同步电动机1234开关磁阻电动机开关磁阻电动机5轮毂电动机轮毂电动机6电动机模块常见故障及排除方法电动机模块常见故障及排除方法762.1 直流电动机的分类直流电动机的分类他励电动机并励电动机串励直流电动机复励电动机励磁电流是由独立的直流电源供给，仅取决于励磁电源的电压和励磁回路的电阻，与电枢端电压无关。励磁绕组与电枢绕组并联，励磁电流与励磁回路的电阻有关，还受电枢端电压的影响。励磁绕组与电枢绕组串联。磁极上有两个励磁绕组，一个与电枢绕组并联，另一个与电枢绕组串联。直流电动机直流电动机绕组励磁式直绕组励磁式直流电动

4、机流电动机大功率电动机永磁式直流电永磁式直流电动机动机小功率电动机l 按照励磁方式分类第二节第二节 直流电动机直流电动机711风扇；风扇；22机座；机座；33电枢；电枢；44主磁极；主磁极；55电刷架；电刷架；66换向器；换向器；77接线板；接线板；88出线出线盒；盒；99换向磁极；换向磁极；1010端盖端盖2.2 直流电动机的构造直流电动机的构造定子和转子之间的间隙称为气隙。直流电动机定子部分机座主磁极换相极电枢装置端盖转子部分电枢铁芯电枢绕组换向器8直流电动机的工作原理直流电动机的工作原理2.3 直流电动机的工作原理直流电动机的工作原理 通过电刷与换向器，使得处于N极下的线圈边内的电流总是

5、从电刷向线圈流入，而处于S极下的线圈边内的电流总是从线圈向电刷流出，从而使线圈总是获得逆时针转动的转矩，而保持转动方向不变。92.4 电动汽车电动汽车用用直流电动机直流电动机1 1）直流电动机的驱动特性）直流电动机的驱动特性恒转矩区Nnb在高速恒功率区，电枢电压不变，改变励磁电流或弱磁来控制转矩。恒功率区Nnb励磁电流保持不变，改变电枢电压来控制转矩。102.4 电动汽车电动汽车用用直流电动机直流电动机2 2）直流电动机的特点）直流电动机的特点 调速性能好直流电动机的特点1234启动转矩大控制简单有易损件112.4 电动汽车电动汽车用用直流电动机直流电动机3 3）电动汽车用直流电动机的要求）电

6、动汽车用直流电动机的要求抗振动性对环境的适应性低损耗性抗负荷波动性小型、轻量化免维护性122.4 电动汽车电动汽车用用直流电动机直流电动机4 4）直流电动机的应用直流电动机的应用 电动汽车用直流电动机主要是他励式直流电动机（包括永磁直流电动机）、串励式直流电动机、复励式直流电动机三种类型。应用功率应用功率应用直流电动机应用直流电动机类型类型具体应用具体应用小功率（小于10 kW）小型高效的永磁式直流电动机电动自行车、高尔夫球车、电动叉车、警用巡逻车中等功率（10100 kW）他励、串励或复励式直流电动机结构简单、转矩较大的电动货车大功率（大于100 kW）串励式直流电动机要求低速、高转矩的大型

7、专用电动汽车上，如电动矿石搬运车、电动玻璃搬运车等。132.5 直流电动机的调速方法直流电动机的调速方法aaeUR InC转矩公式调速方法电枢回路串电阻（改变电枢回路总电阻Ra）调节电枢端电压（U）改变励磁回路电阻调速（调节励磁电流改变主磁通）可控直流电源1旋转变流机组2静止可控整流器3直流斩波器或脉宽调制转换器14第三章电动汽车电机驱动系统三相异步交流电动机三相异步交流电动机概概 述述直流电动机直流电动机永磁同步电动机永磁同步电动机1234开关磁阻电动机开关磁阻电动机5轮毂电动机轮毂电动机6电动机模块常见故障及排除方法电动机模块常见故障及排除方法715三相异步电动机的主要结构部件三相异步电动

8、机的主要结构部件3.1 三相三相异步交流电动机的结构异步交流电动机的结构异步交流电动机定子部分机座定子铁芯定子绕组转子部分转子铁芯转子绕组端盖轴承机座风扇风罩接线盒吊环第三节第三节 三相异步交流电动机三相异步交流电动机16三相异步电动机的工作原理三相异步电动机的工作原理3.2 三相三相异步交流电动机的工作异步交流电动机的工作原理原理 三相定子绕组通入三相交流电后将产生一个旋转磁场，该旋转磁场切割转子绕组从而在转子绕组中产生感应电动势，电动势的方向由右手定则来确定。由于转子绕组是闭合通路，转子中便有电流产生，电流方向与电动势方向相同，而载流的转子导体在定子旋转磁场作用下将产生电磁力，电磁力的方向

9、可用左手定则确定。由电磁力进而产生电磁转矩，驱动电动机旋转，并且电动机旋转方向与旋转磁场方向相同。三相异步交流电动机的转子转速不等于定子旋转磁场的同步转速，这是三相异步交流电动机的主要特点。173.2 三相三相异步交流电动机的工作异步交流电动机的工作原理原理 转子转速与定子磁场的同步转速之间存在转速差，它的大小决定着转子电动势及其频率的大小，直接影响三相异步交流电动机的工作状态。通常将转速差与同步转速的比值用转差率表示，即11nnsn式中，s转差率；n1定子旋转磁场的同步转速；n转子转速。三相异步交流电动机运行时，转差率s的取值范围为0sl。在额定负载条件下运行时，一般额定转差率s为0.010

10、.06。183.3 电动汽车电动汽车用异步交流电动机的性能用异步交流电动机的性能特点特点性能特点 小型轻量化。易实现转速超过1 000 r/min的高速旋转。高速低转矩时运转效率高。性能特点 低速时有高转矩，以及有宽泛的速度控制范围。可靠性高（坚固）。制造成本低。控制装置简单化。193.4 三相三相异步交流电动机的控制异步交流电动机的控制方法方法调速控制方法矢量控制定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量（励磁电流）和产生转矩的电流分量（转矩电流）分别加以控制，并同时控制两分量间的幅值和相位直接转矩控制以转矩为中心来进行磁链、转矩的综合控制。转速控制变频恒压控制自适应控制效率优化控制203.5 三

11、相三相异步交流电动机异步交流电动机的应用实例的应用实例 山东中文沂星电动汽车有限公司的中文牌纯电动客车，电池使用的是磷酸铁锂电池，其容量为200Ah，电池总电压为576V，3h快速充电，额定载客88人，一次充电续航里程高达371.9 km，百千米能耗64.8 kWh，050 km加速时间为13.2 s。21第三章电动汽车电机驱动系统三相异步交流电动机三相异步交流电动机概概 述述直流电动机直流电动机永磁同步电动机永磁同步电动机1234开关磁阻电动机开关磁阻电动机5轮毂电动机轮毂电动机6电动机模块常见故障及排除方法电动机模块常见故障及排除方法7224.1 永磁同步电动机永磁同步电动机的结构的结构l

12、 根据永磁体在转子上位置的不同分类按永磁体磁化方向的不同可分为径向式、切向式和混合式三种根据永磁体是否嵌入转子铁芯中可分为面贴式和插入式两种内置式永磁同步电动机外置式永磁同步电动机（a）径向式（b）切向式 （c）混合式（a）面贴式 （b）插入式第四节第四节 永磁同步交流电动机永磁同步交流电动机234.2 永磁同步电动机永磁同步电动机的性能的性能特点特点优点 功率因数大 效率高 功率密度大缺点 电磁结构中转子励磁不能随意改变，导致电动机弱磁困难l 永磁同步电动机理论还不如直流电动机和异步电动机完善，还有许多问题需要进一步研究，主要有以下两方面。24电动机效率电动机的弱磁能力4.3 永磁同步电动机

13、的控制永磁同步电动机的控制控制原理是：以转子磁链旋转空间矢量为参考坐标，将定子电流分解为相互正交的两个分量，一个与磁链同方向，代表定子电流励磁分量，另一个与磁链方向正交，代表定子电流转矩分量，分别对其进行控制特性。矢量控制（磁场定向控制）转矩取代电流成为受控对象，电压矢量则是控制系统里唯一的输入，直接控制转矩和磁链的增加或减小，直接转矩控制控制变量为电压和频率。控制系统将参考电压和频率输入实现控制策略的调整，最后由逆变器产生一个交变的正弦电压施加在电动机的定子绕组上，使之运行在指定的电压和参考频率下。恒压频比开环控制254.2永磁同步电动机永磁同步电动机的应用实例的应用实例 长城汽车最新电动车

14、产品哈弗M3纯电动汽车采用永磁同步电机，最大功率55 kW，最大转矩150 Nm，最高时速可以达到130 km，最高续航里程为160 km。北汽集团BE701，采用永磁同步电机进行驱动，电机额定电压为336 V，最高功率为110 kW，最高转矩为300 Nm。千米加速为15 s左右，可使用民用220 V电源进行充电，完全充电时间为10 h，而快速充电只需1 h左右，在充满电后最远续航行驶距离为160 km。26第三章电动汽车电机驱动系统三相异步交流电动机三相异步交流电动机概概 述述直流电动机直流电动机永磁同步电动机永磁同步电动机1234开关磁阻电动机开关磁阻电动机5轮毂电动机轮毂电动机6电动机

15、模块常见故障及排除方法电动机模块常见故障及排除方法7275.1 开关磁阻电动机开关磁阻电动机系统的系统的组成组成开关磁阻电动机驱动系统开关磁阻电动机功率转换器传感器控制器开关磁阻电动机驱动系统的构成第五节第五节 开关磁阻电动机开关磁阻电动机285.2 开关磁阻电动机开关磁阻电动机的结构与工作的结构与工作原理原理开关磁阻电动机的基本结构 开关磁阻电动机由双凸极的定子和转子组成，其定子和转子的凸极均由普通的硅钢片叠压而成。转子上既无绕组也无永磁体，一般装有位置检测器；定子上绕有集中绕组，径向相对的两个绕组串联构成一相绕组。l 根据相数和定子、转子极数的配比，开关磁阻电动机可以设计成不同的结构 （a

16、）6/4极 （b）8/6极 （c）12/8极295.2 开关磁阻电动机开关磁阻电动机的结构与工作的结构与工作原理原理四相8/6极开关磁阻电动机 左图为四相8/6极开关磁阻电动机，图中仅画出其中一相绕组（A相）的连接情况。由于定子、转子均为凸极结构，故每相绕组的电感i随转子的位置改变而改变，如右图所示。相电感、转矩与转子位置的关系曲线305.3 开关磁阻电动机开关磁阻电动机的性能的性能特点特点u 调速范围宽、控制灵活u 制造和维护方便u 运转效率高u 可四象限运行，具有较强的再生制动能力。u 结构简单、成本低、制造工艺简单。u 转矩方向与电流方向无关，从而减少功率转换器的开关器件数，降低了成本。

17、u 损耗小。u 可控参数多、调速性能好。u 结构简单、成本低、制造工艺简单。315.3 开关磁阻电动机开关磁阻电动机的性能的性能特点特点u 设计和控制较复杂u 开关磁阻电动机设计和控制要求非常精细u 噪声较大32213电压保持不变而对开通角和关断角进行控制，通过对它们的控制来改变电流波形以及电流波形与绕组电感波形的相对位置。角度控制法（APC）某相绕组导通阶段，在主开关的控制信号中加入PWM信号，通过调节占空比来调节绕组端电压的大小，从而改变相电流值。电压控制法（VC）一般使电动机的开通角和关断角保持不变，而主要靠控制斩波电流限的大小来调节电流的峰值，从而调节电动机转矩和转速。实现方式有2种：

18、限制电流上、下幅值的控制电流上限和关断时间恒定的控制电流斩波控制法（CCC）5.4 开关磁阻电动机开关磁阻电动机的控制的控制方法方法335.5 开关磁阻电动机的应用实例开关磁阻电动机的应用实例 东风混合动力城市公交车采用自主开发的11m东风混合动力电动城市客车专用底盘，驱动系统装载康明斯电控柴油发动机，风冷式开关磁阻电动机和高性能镍氢电池作为辅助动力，以并联方式参与驱动；具备停车断油和制动能量回馈功能；用户在使用过程中不需外接电源对车辆进行充电，整车动力性能相当，减少温室气体排放30%，降低燃油消耗30%。34第三章电动汽车电机驱动系统三相异步交流电动机三相异步交流电动机概概 述述直流电动机直

19、流电动机永磁同步电动机永磁同步电动机1234开关磁阻电动机开关磁阻电动机5轮毂电动机轮毂电动机6电动机模块常见故障及排除方法电动机模块常见故障及排除方法735轮边电动机轮毂电动机轮毂电动机驱动 电动汽车采用的轮毂电动机驱动属于分散式电动机驱动模式。所谓轮边电动机驱动模式，是指每个驱动车轮由单独的电动机驱动，但是电动机不是集成在车轮内，而是通过传动装置（如传动轴）连接到车轮。第六节第六节 轮毂电动机轮毂电动机366.1 轮毂轮毂电动机的结构形式电动机的结构形式37轮殼电动轮殼电动机动力系机动力系统统0204电动机电动机减速机构减速机构制动器制动器散热系统散热系统外转子型采用低速外转子电动机，电动

20、机的最高转速为1 0001 500 r/min，无任何减速装置，电动机的外转子与车轮的轮辋固定或者集成在一起，车轮的转速与电动机相同。外转子型外转子型内转子型内转子型内转子型则采用高速内转子电动机，同时装备固定传动比的减速器。为了获得较高的功率密度，电动机的转速通常高达10 000 r/min。减速机构通常采用传动比在101左右的行星齿轮减速装置，车轮的转速在1 000 r/min左右。VSl 轮毂电动机动力系统根据电动机的转子形式分类6.1 轮毂轮毂电动机的结构形式电动机的结构形式386.1 轮毂轮毂电动机的结构形式电动机的结构形式39vs外转子型内转子型结构简单轴向尺寸小比功率高能在很宽的

21、速度范围内控制转矩响应速度快外转子直接和车轮相连没有减速机构效率高成本高加速时效率低噪声大优点缺点比功率高质量小体积小效率高噪声小成本低必须采用减速装置效率降低非簧载质量增大电动机的最高转速受线圈损耗、摩擦损耗以及变速机构的承受能力等因素的限制优点缺点6.2 轮毂轮毂电动机的分类及特点电动机的分类及特点401 1）轮毂电动机的分类轮毂电动机的分类轮毂电动机轮毂电动机感应式永磁式开关磁阻式l 轮毂电动机系统的驱动电动机按照电动机磁场的类型轮毂电动机系统的驱动电动机按照电动机磁场的类型电动机的定转子之间受力比较均衡，磁路由硅钢片叠压得到，技术更简单成熟电动机的结构利于热量散发，并且它的定子可以不需

22、要铁芯径向磁场轴向磁场感应（异步）式电动机 优点是结构简单、坚固耐用、成本低廉、运行可靠、转矩脉动小、噪声低、不需要位置传感器、转速极限高；缺点是驱动电路复杂、成本高，感应（异步）式电动机效率和功率密度偏低。无刷永磁同步电动机 可采用圆柱形径向磁场结构或盘式轴向磁场结构，具有较高的功率密度和效率以及宽广的调速范围开关磁阻式电动机 优点是结构简单、制造成本低廉、转速/转矩特性好等，适用于电动汽车驱动；缺点是设计和控制非常困难、运行噪声大。2）轮毂电动机的轮毂电动机的特点特点6.2 轮毂轮毂电动机的分类及特点电动机的分类及特点41u 可以完全省略传动装置，整体动力利用效率大大提高。u 轮毂电动机使

23、得整车总体布置可以采用扁平化的底盘结构形式，车内空间和布置自由度得到极大提升。u 车身上几乎没有大功率的运动部件，整车的振动、噪声和舒适性得到极大改善。u 便于实现四轮驱动形式，有利于改善整车的动力性能。u 轮毂电动机作为执行元件，利用响应速度快和准确的优点便于实现包括线控驱动、线控制动以及线控整车动力学控制在内的整车动力学集成控制，提高整车的主动安全性。6.3 采用采用轮毂电动机驱动系统电动汽车的特点轮毂电动机驱动系统电动汽车的特点42u 动力平台采用燃料电池发动机和高功率锂离子电池为动力源，装备4个轮毂电动驱动。u 采用自主开发的控制系统，集成了最新的线控转向技术。u 整车具有结构简洁、有

24、效空间大、传动效率高、转向灵活、零排放、无噪声等突出特点。u 最高车速为45 km/h，续驶里程为50 km。同济大学研发的“春晖三号-嘉乐”微型电动车为二门紧凑型微型电动车6.4 轮毂轮毂电动机的应用电动机的应用实例实例43第三章电动汽车电机驱动系统三相异步交流电动机三相异步交流电动机概概 述述直流电动机直流电动机永磁同步电动机永磁同步电动机1234开关磁阻电动机开关磁阻电动机5轮毂电动机轮毂电动机6电动机模块常见故障及排除方法电动机模块常见故障及排除方法7447.1 电动机电动机的维护与的维护与保养保养检查电动机及其控制器各固定点，检查螺栓是否松动检查电动机及其控制器线束及插件是否有松动、

25、老化等现象检查电动机本体及控制器水冷管道是否通畅检查清理电动机本体及控制器表面灰尘，清理时必须断开动力电源电动机轴承在大修期限内无须加注润滑脂测量电动机的绝缘电阻应使用500 V兆欧表，其值不低于5 M；否则，应对绕组进行除潮处理第七节第七节 电动机模块常见故障及排除方法电动机模块常见故障及排除方法457.2 常见常见故障及排除故障及排除方法方法电动机运行时产生大量火花，局部过热，抖动 电动机进水造成短路，把电动机烧坏 电动机超负载运行，使换向器短路烧坏。现象是换向器变黑电动机异响 电动机和后桥连接同心度达不到标准 电刷和换向器接合不好，须校正调整 电动机里面转子上的轴承坏，须更换电动机不转

26、保险丝烧掉，须更换 电源开关损坏，须更换电源开关 加速器损坏。控制器损坏，须更换电控 电动机烧坏，更换电动机 电动机各连接线线头松动，把电动机各连接线头重新检查一遍467.3 丰田丰田Prius混合动力车驱动电动机的混合动力车驱动电动机的检查检查1 1）读取输出）读取输出DTCDTC（混合动力控制）（混合动力控制）将智能检测仪连接到DLC3打开电源开关打开智能检测仪进入下列菜单Powertrain/Engineand ECT/DTC读取DTC477.3 丰田丰田Prius混合动力车驱动电动机的混合动力车驱动电动机的检查检查2 2）检查混合动力车辆电动机总成）检查混合动力车辆电动机总成关闭电源开关拆下检修塞卡箍拆下变频器盖从变频器上断开混合动力车电动机的三相交流电缆用毫欧表测量电动机三相交流电缆端子间的电阻48