异步电机驱动系统在电动客车上的应用与发展--李益丰

1 异步电机驱动系统在电动客车上的应用 现状及发展 南车株洲电力机车研究所有限公司 郭淑英 李益丰 摘要摘要 文章介绍了国内外异步驱动电机系统在电动客车上的应用现状 并 对其未来的研究开发工作提出了建议 关键词 异步牵引电机 驱动系统 电动客车 The state and development ofasynchronous traction motor system in electric vehicles GuoGuo ShuyingShuying LiLi yifengyifeng CSR CSR ZhuzhouZhuzhou ElectricElectric LocomotiveLocomotive ResearchResearch Institute Institute ZhuzhouZhuzhou Hunan 412001 China Hunan 412001 China Abstract Abstract The application state of asynchronous traction motor system in electric vehicles is presented and the development in the future is introduced KeyKey words words asynchronous traction motor traction system electric vehicle 0 0 引言引言 驱动电机系统是电动汽车的关键部件之一 电动汽车对驱动电机系统具 有以下要求 a 较大峰值功率和较宽的恒功范围 以满足车辆启动和爬坡性能 加速性 能和高速性能的需求 b 在整个运行范围内具有较高效率 c 有较强的过载能力 快速的动态响应速度和良好的起动加速性能 以适应 路面的变化和车辆的频繁起动 d 具有较高的可靠性 较高的功率密度和转矩密度 e 环境适应性强 极端的环境温度适应性和较高的防护等级 f 良好的控制稳定性 噪声低 振动小 以满足乘客的舒适性要求 2 g 较低的成本 目前用于电动客车的牵引电动机类型主要有 异步牵引电动机 永磁同步 牵引电动机 开关磁阻牵引电动机等 异步牵引电动机以其结构简单 可靠性高 成本较低 控制相对简单 噪 声低 振动小等优点 在电动汽车 尤其在电动客车上得到了广泛的应用 目前是主流的牵引电动机 本文主要介绍异步驱动电机系统在电动客车领域的应用情况 取得的成绩 并介绍其在未来的发展方向及需要进一步加强的研发工作 1 1 国外异步驱动电机系统的发展现状国外异步驱动电机系统的发展现状 从上世纪八十年代起 电动汽车用驱动电机系统的研究进入了一个较快的 发展阶段 目前已经开发出了系列化的能够满足电动汽车需要用的驱动电机系 统 应用于各种类型的电动汽车上 并形成了小批量生产 异步驱动电机系统的典型产品有 Enova 驱动电机系统 Solectria 驱动电 机系统 Siemens 驱动电机系统等 表 1 为概括了这些产品的特点 表 1 国外异步驱动电机系统的特点 EnovaEnova 异步驱动电机系统异步驱动电机系统 SiemensSiemens 异步驱动电机系统异步驱动电机系统 SolectriaSolectria 驱动电机系统驱动电机系统 产品系列60kW 90kW 120kW 240kW65kW 80kW34kW 45kW 60kW 电机最高转速7200r min10000r min1800r min 额定转速3600r min4000r min6000r min 恒功范围较宽较宽较窄 转子结构铸铝铸铝铸铝 机座结构铸铝铸铝 两种电机中心高 相同 铁心长度不一样 带散热筋的铸铝机 座 端盖材料铸铝铸铝铸铝 冷却方式水冷水冷自然冷却 与减速箱的连接一体化分立分立 应用场合串联混合动力客车 并 联混合动力客车 中型 纯电动客车 主要应用在并联混合动 力客车 当用在串联混 合动力客车或纯电动客 车时 采用双电机 主要用于并联车上 当用在串联混合动 力客车或纯电动客 车时 采用双电机 3 2 2 国内异步驱动电机系统的发展现状国内异步驱动电机系统的发展现状 上世纪九十年代开始 我国开始了电动汽车用异步驱动电机系统的开发和 研制 特别是经过 十五 十一五 科技部节能与新能源汽车 863 重大专项 的实施 我国在电动车辆用异步一部 驱动电机系统的研究开发方面取得了长 足的进步 以南车株洲电力机车研究所有限公司 中科院电工研究所等为代表 的一批企业和研发单位 经过十余年的努力 研制开发了异步驱动电机系统的 系列产品 分别应用于燃料电池城市客车 纯电动大客车 串联式混合动力客 车等类型的车辆上 取得了阶段性的成果 具体体现在 2 12 1 建立了异步驱动电机系统的开发平台建立了异步驱动电机系统的开发平台 通过几轮 863 项目的开展 为北京奥运会提供产品以及为相关市场提供产 品等 目前对异步驱动电机系统在电动车辆上的运用工况和需求有了进一步的 认识与体会 对其理论 设计 制造 试验 运行等方面有了较深入的了解 基本建立起了具有自主知识产权的异步驱动电机系统的开发平台 2 22 2 异步驱动电机系统产品得到较广泛的应用异步驱动电机系统产品得到较广泛的应用 到目前为止 所开发的异步驱动电机系统已达到 500 多套 应用在燃料电 池客车 纯电动客车和串联式混合动力客车 并联式混合动力客车以及无轨电 车上 产品的额定功率从 20kW 150kW 峰值功率 30kW 250kW 冷却方式包 括风冷 水冷和自然冷却 运用考核情况表明 所开发的产品能基本满足车辆 的运行需要 2 32 3 产品可靠性得到了初步验证产品可靠性得到了初步验证 产品的可靠性直接影响的产品的推广 目前已有近 500 套异步驱动电机系 统投入商业运行 运行里程数已超过 1 000 万公里 其中 2006 年应用于北京公 交公司的 100 套无轨电车用异步驱动电机系统 运行时间已到 2 年半 单台车 辆最长运行里程数超过 15 万公里 产品的总体可靠性已经得到用户的充分肯定 特别是在 2008 年奥运期间 共计有 55 台装有异步驱动系统的纯电动客车 3 台装有异步驱动系统的燃料电池客车电动客车在奥运中心区投入运用 实现 4 了 零故障 零抛锚 的可靠性指标 2 42 4 控制理论日趋完善控制理论日趋完善 目前车用驱动电机系统所采用的控制策略主要有矢量控制和直接转矩控制 两种 实践表明 两种控制策略均已取得较好的成效 在控制理论方面 也取得了丰硕成果 比如 最佳效率控制 降低谐波 损耗的控制 全速度范围内的 PWM 控制 逆变器输出非线性补偿研究 电机 控制参数在线校正研究 电流控制性能与提高电压利用率的研究 电机转矩 控制精度的研究等 通过这些研究 提高了异步驱动电机系统的效率 转矩控制精度 动态 响应速度 同时也降低了电机噪声 3 3 对异步驱动电机系统未来工作的建议对异步驱动电机系统未来工作的建议 综上所述 尽管通过十几年的努力 我国在异步驱动电机系统的研发方面 取得了一定的 成果 但是要真正实现产品的大规模商业化运行 满足电动客车 批量化生产的需求 还有以下工作需要我们去认真思考和实践 3 1 产品标准的完善产品标准的完善 标准是企业进行产品设计 工艺设计 产品检验 技术交流 用户产品验 收 质量监督检查 生产组织等的共同依据 目前电动汽车用电机及控制器的国家标准为 GB T18488 1 2006GB T18488 1 2006 电动汽车用电机及其控制器技术条件 GB T18488 2 2006GB T18488 2 2006 电动汽车用电机及其控制器试验方法 在过去一段时期 这些标准对我国车用驱动电机系统的发展起到了很好的 指导和促进作用 但由于车用驱动电机系统的复杂性 技术也在不断发展 加 上国际上也没有成熟的标准可参考 因此该标准存在一些需要完善的地方 比 如 试验项目不够完整 某些技术要求不尽合理 没有针对不同型式的电机提出 不同的试验方法 没有针对不同型式的电机制定不同的技术要求 可操作性欠佳 5 因此 建议对上述标准进行修订和完善 建议新标准的基本原则和框架为 3 1 1 标准的层次标准的层次 建议标准分为3个层次 即系统级标准 牵引电动机标准 电机控制器标准 这样有利于部件和系统的设计 制造检验 试验验收和系统性能评价 3 1 23 1 2 电动机类型电动机类型 目前应用的电动机类型主要有 异步牵引电动机 永磁同步牵引电动机 开关磁阻牵引电动机 在新标准中 应针对这三种类型的电动机 分别规定 其技术要求 试验分类 试验方法 3 1 33 1 3 技术要求技术要求 a 针对不同电机类型 提出不同的技术要求 b 增加针对例行试验的试验要求 c 修改目前标准中不合理的部分 3 23 2 产品系列化 型谱化产品系列化 型谱化 产品的系列化 型普化能够有效地缩短开发周期 降低成本 目前电动汽 车用异步驱动电机系统的开发一般是由整车用户提出具体要求 零部件供应商 的根据要求量体载衣进行设计制造 这样就出现了在相同功率等级下 不同安 装方式 不同形状的电机驱动系统 这对 具体车辆来说也许是最合理的 但是 产品适应范围窄 开发周期长 生产制造成本高 且不利于整车对零部件互换 性的要求 也不能快速响应市场 为了降低研发成本和整车制造厂家的采购成本 有必要对车辆可能需求的 驱动电机系统进行市场调研 按模块化 系列化的原则来形成产品型谱 让用 户在产品型谱中进行选择 以适应大批量产业化的需要 为形成产品的系列化 型谱化 一个重要工作是对现有电机的悬挂方式进 行分析 确定最适合电动汽车用牵引电机的悬挂安装方式 同时也为电动化底 盘的设计奠定基础 另一个重要工作是要对电机驱动系统与整车之间的电气和 机械接口 通讯与控制等进行规范化和标准化 3 33 3 电气系统的一体化电气系统的一体化 6 目前电机控制器和车辆其它电气系统产品为分开设计和布置的 这种设计 存在以下缺点 a 电气部件比较分散 造成装车和布线比较复杂 施工工作量大 b 由于部件分散带来的车身布线及连接点增多 使整体可靠性下降 c 各个部件独立设计 缺乏统一考虑 造成各部件结构 外形 安装方式等 各不相同 缺乏整体一致性 d 由于空间尺寸限制 车下安装的设备安装 维护比较困难 e 不利于整车电磁兼容性 f 对整车制造的电气安装提出了较高要求 采用一体化设计 即把电机控制器 车用辅助系统及其它电气系统统一设 计 统一布置在一个箱体内 这样可以增强电气系统安全性 可靠性和电磁兼 容性 从而提高整车电气系统可维护性 降低成本 更主要的是可以为用户提 供一整套完整的电气系统解决方案 3 43 4 电机与减速箱一体化电机与减速箱一体化结构结构 为了充分利用异步电机能承受高转速的优点 在驱动电机和车桥之间一般 加一个减速箱 减速箱和电机一般为双轴承结构 它们之间的连接方式为 减 速箱通过法兰和电机端盖直接相连 减速箱输入轴和电机轴通过花键相连 这 种连接方式是刚性的过约束联接方式 存在以下问题 由于为过约束联接 就要求电机和减速箱的加工精度很高 若加工精度 达不到要求 就会给电机和减速箱增加一附加力 影响电机和减速箱的可靠性 电机与减速箱之间的花键为刚性连接 所承受的运行工况为双向冲击 变负荷 振动频率高 内外花键没有润滑 相对滑动 运行条件非常恶劣 电机和减速箱在车上安装 安装环境很差 不利于拆装 将牵引电动机和减速箱一体化设计可有效地避免这种弊端 同时还可减小体 积 3 53 5 提高系统效率提高系统效率 异步电机系统与永磁电机系统在性能方面的最大的差异在于其系统的效率 7 在电动汽车驱动系统中 为了保证车辆的动力性能 爬坡和加速性能 电 动机的峰值功率和峰值转矩比较大 但实际上大部分 工况下 电动机所输出的 功率和转矩不到峰值功率和峰值转矩的 1 3 存在严重的大马拉小车的现象 对于异步电机来说 由于不产生有功功率只产生损耗的励磁电流并不随输 出功率的降低而降低 而是维持基本不变 因此当电机输出功率较低时 电机 效率的降低比较明显 为提高异步驱动电机系统特别是在低转矩工况的效率 在目前所采用的方 法基础上 采取以下措施可有效提高异步驱动电机的效率 降低电机附加损耗 采用降低谐波的特殊电机转子结构 优化降低谐波的调制方法 3 63 6 可靠性研究可靠性研究 为了在不提高成本的前提下保证电机驱动系统的可靠性 一方面应当研究 等寿命设计的方法 另一方面应参照 QC T 1992 汽车故障模式及其分类 对 驱动电机系统的故障类型进行统一规定 形成行业标准 为 MTBF 的计算奠定基 础 同时对异步驱动电机故障模式和失效机理进行分析研究 研究并制定异步 驱动电机系统寿命快速评价试验方法 3 73 7 浮地系统电磁兼容技术的研究浮地系统电磁兼容技术的研究 驱动电机系统在运行中出现的故障 除了机械故障外 有相当一部分是由 电磁干扰而引起的 电动汽车的车轮为绝缘的橡胶车轮 电气设备外壳没有与大地的连接点 为浮地系统 这给电磁兼容性设计提出了很高的要求 应着重进行以下工作 驱动电