电动汽车与混合动力汽车新一代的模拟工具设计.docVIP

电动汽车与混合动力汽车新一代的模拟工具设计 2011年9月9日10:25:34 来源:电子系统设计 作者：=== 摘要： 电动马达提供动力，那些双重功能的马达(电动机-发电机)能够从多种不同类别的新车型上收集能量。除了知名的本田普锐斯混合动力车以外，其它数家汽车生产商也已提供或正在开发插电式混合动力(plug-in hybrid)、轻度混合动力(mild hybrid)甚至微混合动力(micro hybrid，无动力)车型(见表1)。尽管每家厂商所用的术语略有不同，但永磁同步电机(PMSM)是绝大多数厂家的选择。 关键字： 电动汽车, 混合动力汽车, 燃油的车型, 电力电子器件 汽车行业中，发展迅猛的电动汽车与混合动力汽车正在经历很大的变化。尽管从销售量来看，它们还远远落后于采用燃油的车型，但汽车生产商已经从中学到了不少。其中的一点就是，汽车设计师已经无法满足于当前为工业应用而开发的的运动控制元件了。 汽车生产商也在运用联合购买力，使得新产品更贴合自己的需求。与此同时，电力电子器件、微控制器、系统设计和开发工具等方面对电力的使用也在发生变化。 马达的发展 电动马达提供动力，那些双重功能的马达(电动机-发电机)能够从多种不同类别的新车型上收集能量。除了知名的本田普锐斯混合动力车以外，其它数家汽车生产商也已提供或正在开发插电式混合动力(plug-in hybrid)、轻度混合动力(mild hybrid)甚至微混合动力(micro hybrid，无动力)车型(见表1)。尽管每家厂商所用的术语略有不同，但永磁同步电机(PMSM)是绝大多数厂家的选择。 汽车推进方面，马达是运动控制系统的核心。汽车厂商和供应商正在持续改进现有的设计，同时开发新的技术。现在有至少两种不同的趋势。其中一个和新型马达设计有关，另一个使用了我们更加熟悉的方法。 更熟悉的方法是，高性能永磁电机必须使用的永磁材料成本不断增加，正在迫使汽车厂商及其一级供应商重新评估其他的马达替代设计，特别是感应马达。 2011年，底特律举行的SAE大会上，UQM Technologies公司工程副总裁Jon Lutz探讨了永磁电机的替代品。UQM Technologies开发、生产高能效比的电动马达、发电机以及电力电子控制器。 Lutz说，用于永磁电机的永磁材料主要来自中国。由于成本增加四倍，而且经常缺货，之前不太被看好的的感应电机和绕线磁极式电机现在吸引了更多的关注。Lutz还指出，目前的材料研究可以将特定级别的电机中使用的永磁材料降低至最少，还可以用其他磁体代替。功率半导体的技术的进步，包括碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)器件就是众多替代电机技术中，能够提升性能的技术。 更激进的一种方式是，轮毂电机将显著提升电力和混合动力汽车的表现。Protean Electric的首席技术官Andy Watts表示。Protean Electric的Protean Drive是整合了三相、永磁直驱的汽车推进解决方案。每个点击都有内置的逆变器、控制电子和软件(图1)。 Protean 在一部福特F150电动车里安装了四个轮内马达，以400V直流驱动运行， Protean Drive PD18内置了逆变器技术，扭矩为300Nm/rpm，峰值功率为84kW，额定功率为54kW。 模拟马达控制 模拟工具是每个汽车厂商和许多零部件供应商工具箱的一部分，能够帮助汽车更快上市，同时避免开发错误对生产造成影响以及带来质量和可靠性的问题，从而导致损失。由于电动车和混合动力车的复杂度不断攀升，无论是新马达、新部件还是系统级的改进，这些新一代的设计都需要模拟工具。 Ansys公司在2008年收购了Ansoft，所以可以提供新的模拟工具。Ansys的先进技术开发总裁Scott Stanton指出，永磁电机的关注度仍在上升。 Stanton说，“我们有客户正在研究电动机如何采用更细致的建模方式，为系统工程师提供更详尽的模型。”和基于马达参数的建模技术相比更重要的是，其电感和电容对先进的建模有很大影响。现在，Ansys的工程师正和客户紧密合作，希望能通过解法器得到马达性能的表现。Stanton 说，“他们会用电磁解法器分析问题，将电机的表现特性化，然后创建模型。”新模型的使用对马达特性有主要影响(图2)。 改进的系统分析能力是重新评估新马达技术的一部分。Stanton表示，他有很多客户都在研究永磁马达的替代品。 他说“六七年前，当我们开始和客户谈的时候，他们在使用永磁马达设计，现在突然都找上门说，我们正在解决感应马达的问题和磁阻马达的问题”。除