순수 전기 자동차의 구조 및 설계는 기존 내연기관 자동차와 다릅니다. 또한 복잡한 시스템 엔지니어링을 필요로 합니다. 최적의 제어 프로세스를 구현하기 위해서는 동력 배터리 기술, 모터 구동 기술, 자동차 기술, 그리고 현대 제어 이론을 통합해야 합니다. 전기 자동차 과학기술 발전 계획에서 중국은 "3종 3횡"의 연구개발(R&D) 전략을 고수하고 있으며, "순수 전기 구동" 기술 전환 전략에 따라 "3횡"의 공통 핵심 기술 연구를 더욱 강화하고 있습니다. 즉, 구동 모터 및 제어 시스템, 동력 배터리 및 관리 시스템, 그리고 파워트레인 제어 시스템 연구를 담당합니다. 각 주요 제조업체는 국가 발전 전략에 따라 자체 사업 개발 전략을 수립하고 있습니다.
저자는 신에너지 파워트레인 개발 과정의 핵심 기술을 정리하여 파워트레인의 설계, 시험 및 생산을 위한 이론적 근거와 참고 자료를 제공합니다. 본 논문은 순수 전기자동차 파워트레인의 전기 구동 핵심 기술을 분석하기 위해 총 세 장으로 구성됩니다. 오늘은 먼저 전기 구동 기술의 원리와 분류를 소개합니다.
그림 1 파워트레인 개발의 주요 링크
현재 순수 전기자동차 파워트레인의 핵심기술은 다음의 4가지 범주로 구성된다.
그림 2 파워트레인의 핵심기술
구동 모터 시스템의 정의
차량 전원 배터리의 상태와 차량 전력 요구 사항에 따라, 차량 내장 에너지 저장 발전 장치에서 출력되는 전기 에너지를 기계 에너지로 변환합니다. 이 에너지는 전달 장치를 통해 구동 바퀴로 전달되고, 차량의 기계 에너지 일부는 전기 에너지로 변환되어 차량 브레이크 시 에너지 저장 장치로 다시 공급됩니다. 전기 구동 시스템은 모터, 변속 장치, 모터 제어기 및 기타 구성 요소로 구성됩니다. 전기 에너지 구동 시스템의 기술 파라미터는 주로 출력, 토크, 속도, 전압, 감속비, 전원 용량, 출력 전력, 전압, 전류 등을 포함합니다.
1) 모터 컨트롤러
인버터라고도 하며, 전원 배터리 팩의 직류 입력을 교류로 변환합니다. 핵심 구성 요소는 다음과 같습니다.
◎ IGBT: 전력 전자 스위치. 원리: 컨트롤러를 통해 IGBT 브리지 암을 제어하여 특정 주파수와 시퀀스 스위치를 닫아 3상 교류 전류를 생성합니다. 전력 전자 스위치를 닫음으로써 교류 전압을 변환할 수 있으며, 이후 듀티 사이클을 제어하여 교류 전압을 생성합니다.
◎ 필름 캐패시턴스 : 필터링 기능; 전류 센서 : 3상 권선의 전류를 감지합니다.
2) 제어 및 구동 회로 : 컴퓨터 제어 보드, IGBT 구동
모터 컨트롤러의 역할은 직류를 교류로 변환하고, 각 신호를 수신하여 해당 전력과 토크를 출력하는 것입니다. 핵심 구성 요소는 전력 전자 스위치, 필름 커패시터, 전류 센서, 그리고 다양한 스위치를 개방하고, 각 방향으로 전류를 형성하며, 교류 전압을 생성하는 제어 구동 회로입니다. 따라서 정현파 교류 전류를 직사각형으로 나눌 수 있습니다. 직사각형의 면적은 동일한 높이의 전압으로 변환됩니다. x축은 듀티 사이클을 제어하여 길이 제어를 구현하고, 최종적으로 면적의 등가 변환을 구현합니다. 이러한 방식으로 직류 전력을 제어하여 특정 주파수에서 IGBT 브리지 암을 닫고, 컨트롤러를 통해 시퀀스 스위치를 통해 3상 교류 전력을 생성할 수 있습니다.
현재 구동 회로의 핵심 부품은 수입에 의존하고 있다. 커패시터, IGBT/MOSFET 스위치 튜브, DSP, 전자 칩, 집적 회로 등은 독립적으로 생산이 가능하지만 성능이 약하다. 특수 회로, 센서, 커넥터 등은 독립적으로 생산이 가능하다. 전원 공급 장치, 다이오드, 인덕터, 다층 회로 기판, 절연 전선, 라디에이터 등이 있다.
3) 모터 : 3상 교류 전류를 기계로 변환
◎ 구조 : 전면 및 후면 엔드 커버, 쉘, 샤프트 및 베어링
◎ 자기 회로 : 고정자 코어, 회전자 코어
◎ 회로 : 고정자 권선, 회전자 도체
4) 송신 장치
기어박스 또는 감속기는 모터의 토크 속도 출력을 차량 전체에 필요한 속도와 토크로 변환합니다.
구동 모터의 종류
구동 모터는 다음 네 가지 유형으로 나뉩니다. 현재 신에너지 전기 자동차에는 교류 유도 모터와 영구 자석 동기 모터가 가장 널리 사용됩니다. 따라서 본 연구에서는 교류 유도 모터와 영구 자석 동기 모터 기술에 중점을 두고 있습니다.
| 직류 모터 | AC 유도 전동기 | 영구 자석 동기 모터 | 스위치드 릴럭턴스 모터 | |
| 이점 | 낮은 비용, 낮은 제어 시스템 요구 사항 | 저렴한 비용, 광범위한 전력 적용 범위, 개발된 제어 기술, 높은 신뢰성 | 높은 전력 밀도, 높은 효율, 작은 크기 | 간단한 구조, 낮은 제어 시스템 요구 사항 |
| 불리 | 높은 유지 관리 요구 사항, 낮은 속도, 낮은 토크, 짧은 수명 | 작은 효율적인 영역 낮은 전력 밀도 | 비용이 많이 들고 환경 적응력이 낮음 | 토크 변동이 크고 작동 소음이 크다 |
| 애플리케이션 | 소형 또는 미니 저속 전기 자동차 | 전기 사업용 차량 및 승용차 | 전기 사업용 차량 및 승용차 | 혼합 동력 차량 |
1) AC 유도 비동기 모터
AC 유도 비동기 모터의 작동 원리는 권선이 고정자 슬롯과 회전자를 통과한다는 것입니다. 고정자는 높은 자기 전도도를 가진 얇은 강판으로 쌓여 있습니다. 3상 전류가 권선을 통과합니다. 패러데이의 전자기 유도 법칙에 따르면 회전 자기장이 생성되어 회전자가 회전합니다. 고정자의 세 코일은 120도 간격으로 연결되어 있으며, 전류가 흐르는 도체는 그 주위에 자기장을 생성합니다. 이 특수한 배열에 3상 전원을 공급하면 특정 시간에 교류 전류가 변함에 따라 자기장의 방향이 서로 바뀌어 균일한 회전 세기를 가진 자기장이 생성됩니다. 자기장의 회전 속도를 동기 속도라고 합니다. 닫힌 도체가 내부에 있다고 가정하면, 패러데이의 법칙에 따라 자기장이 가변적이기 때문에 루프가 기전력을 감지하여 루프에 전류를 생성합니다. 이 상황은 마치 자기장 속의 전류가 루프에 전자기력을 발생시켜 환장이 회전하기 시작하는 것과 같습니다. 농형 자석과 유사한 원리를 사용하여 3상 교류 전류가 고정자를 통해 회전 자기장을 생성하고, 엔드 링에 의해 단락된 농형 막대에 전류가 유도되어 회전자가 회전하기 시작합니다. 이것이 바로 이 모터를 유도 전동기라고 하는 이유입니다. 전자기 유도를 이용하여 회전자에 직접 연결하여 전기를 유도하는 대신, 절연 철심 편평을 회전자 내부에 채웁니다. 이렇게 하면 작은 크기의 철심이 와전류 손실을 최소화할 수 있습니다.
2) AC 동기 모터
동기 전동기의 회전자는 비동기 전동기와 다릅니다. 회전자에는 영구 자석이 설치되어 있으며, 표면 실장형과 매립형으로 구분할 수 있습니다. 회전자는 실리콘 강판으로 제작되고 영구 자석이 매립되어 있습니다. 고정자에는 120° 위상차를 갖는 교류 전류가 연결되어 정현파 교류 전류의 크기와 위상을 제어합니다. 따라서 고정자에서 생성되는 자기장은 회전자에서 생성되는 자기장과 반대가 되어 회전합니다. 이렇게 고정자는 자석에 의해 끌어당겨져 회전자와 함께 회전합니다. 고정자와 회전자가 서로 흡수하면서 사이클이 반복됩니다.
결론: 전기 자동차용 모터 구동은 기본적으로 주류가 되었지만, 단일한 것이 아니라 다각화되어 있습니다. 각 모터 구동 시스템은 자체적인 종합 지표를 가지고 있으며, 각 시스템은 기존 전기 자동차 구동 시스템에 적용되고 있습니다. 대부분 비동기 모터와 영구 자석 동기 모터이며, 일부는 자기 저항 모터로 전환하려고 시도하고 있습니다. 모터 구동은 전력 전자 기술, 마이크로 전자 기술, 디지털 기술, 자동 제어 기술, 재료 과학 및 기타 분야를 통합하여 여러 분야의 포괄적인 응용 및 개발 전망을 반영한다는 점에 주목할 필요가 있습니다. 전기 자동차 모터 분야에서 강력한 경쟁자입니다. 미래 전기 자동차에서 자리를 차지하기 위해서는 모든 종류의 모터가 모터 구조를 최적화할 뿐만 아니라 제어 시스템의 지능적이고 디지털적인 측면을 끊임없이 탐구해야 합니다.
게시 시간: 2023년 1월 30일
