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下一代电动汽车牵引系统:SynRel驱动系统的开发和应用--我院研究课题系列介绍(十)

2023-05-31


 

熟悉我院研究课题的读者肯定记得我们在2021年5月曾经刊发过的关于铁氧体辅助型磁阻同步电机的研究成果介绍——铁氧体辅助型磁阻同步电机——课题系列介绍(八)。其中, 我院发布了我院与宁波诺丁汉大学PEMC团队在这一领域取得的一些成就,暨设计并测试了一般工业用,额定功率从7.5KW到132KW的SynRel驱动电机和功率转换器。

从2021年后半年开始,两个团队在宁波诺丁汉大学李达三项目基金支持下,启动研究了如何将此类电机应用于新能源汽车领域, 并于2023年5月24日在第八届中国机器人峰会(5月23-25日在中国宁波余姚举行)发表了我院的观点。

相比于传统的燃油汽车,越来越多的人们开始选择新能源汽车, 这其中最关键的三电系统包含储能单元(电池)、功率转换器和电动机。业界已经尝试过多种电动机结合不同类型的功率转换器来创建各种配置的电动汽车。

目前市场上应用最广的电动汽车驱动系统是基于永磁同步电机(PMSM),例如丰田普锐斯,日产Leaf, Soul EV;感应电机(IM),例如特斯拉Model S,特斯拉Model X,丰田RAV4。众所周知,这些系统有其各自的不足,比如感应电机相对来说具备较低的功率因数和效率,而基于永磁同步电机的电动汽车成本较高,因其对温度敏感,所以在工作条件下的效率有限,磁铁退磁导致性能下降。
除了单一驱动配置外,蔚来公司还提出了一种更优解决方案,将PMSM和IM两种不同的电机及电机驱动系统结合在一辆车上来确保新能源汽车在低速和高速范围内均实现高性能。目前来看,这为电动汽车提供了相对最佳的解决方案,但其成本和系统复杂性相对也是最高。
今年3月,特斯拉宣称将在下一代model 3 的电机开发设计上完全不使用稀土材料。在追求低成本绿色环保的开发大背景下,无稀土材料电机看似将成为新的技术宠儿。结合这样的市场需求, 我院推出了这套无稀土磁铁, 并实现了电动汽车先进控制算法的电机和电机驱动系统。它采用了创新的轻质模块化设计和高效冷系统,为下一代电动汽车驱动系统提供了较优候选方案。
这套系统额定功率40Kw, 峰值70kW,实现了:
1)应用于电动汽车的SynRel驱动器转矩控制策略;
2)实现了安全运行速度的优化;
3)改进了电压利用的算法;
4)高效水冷却系统;
5)高度集成的功率转换器。
与现有的车用电推进永磁电机方案相比,新样机有望实现:
1.最高转速在10000rpm;
2.峰值效率在94%以上;
3.高效率(>92%)>80%转速范围区域;
4. 质量和体积比功率密度提高了约5-8%;
对于纯电动汽车(EV)来说,电机是唯一的动力源。与泵、fun等低动态性能和低起动转矩的工业电机相比,电动汽车电机驱动系统面临着驱动周期不可预测的动态运行、高扭矩/功率密度以降低整车整装重量、用以确保车辆在关键部件失效时仍能正常运行的强大跛行功能、寿命保证、宽速度控制范围等挑战。我院的研发重点在于突破关键技术,以提高设计系统的能源效率、功率密度、可靠性和降低总体成本。
经过原型机在Kistler测试平台验证,结果表明,在通常使用感应电机的应用中使用SynRel电机及其驱动器可以节省5—10%的消耗能量。使用CPU的多核配置,我们可以将驱动器和电动汽车的一板控制功能结合为一个整体。这种方法简化了城市模式下占空比优化、智能充电监控等附加功能的实现。

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