驅動電機基礎知識

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純電動汽車驅動系統

電機驅動系統是純電動轎車中的關鍵系統，純電動轎車的運行性能主要取決於電機驅動系統的類型和性能。純電動轎車的驅動系統一般由整車控制器、電機、逆變器、DC- DC、減速器以及驅動輪構成。典型的純電動汽車驅動系統，如圖 1 所示。

圖1 典型純電動汽車驅動系統

蓄電池12V：整車高壓上電前（或DC-DC未工作時）用於給整車低壓系統供電，如：燈光系統、多媒體系統、各種控制器控制電源等。

DC-DC：將動力電池中高壓直流電轉換為蓄電池中的低壓直流電，用於高壓上電後給整車低壓用電系統供電。

動力電池：為驅動系統提供能量的蓄電池，整車的能量來源。

逆變器：又稱電機控制器（MCU），將直流電轉化為交流電，控制器電機驅動力矩、旋轉方向、轉速，是驅動系統的一部分。

電機（MC）：純電動汽車的能量轉化裝置，將電能轉化機械能驅動汽車運動，或者將機械能轉化為電能儲存到動力電池中。

減速器：傳動裝置用於降低轉速增大轉矩，一般會包含一個差速器。

整車控制器（VCU）：整車的大腦，控制整車的運行。整車控制器功能介紹。

電機系統作為純電動汽車的唯一動力源，承擔著電動汽車加速、減速、爬坡、高速勻速行駛等複雜工況的動力需求。同時汽車的工作環境惡劣，可靠性要求極高。

純電動汽車驅動系統要求：

低速輸出大轉矩，以適應車輛的起動、加速、負荷爬坡以及頻繁起或停等工況，即: 低速時恆轉矩運行；
高速輸出恆定功率，有較大的調速範圍，以適應最高車速和超車等要求，即: 高速時恆功率運行；
減速時，電機實現再生制動，將能量回收並反饋回電池，使得整車具有最佳的能量利用率；
電動機可靠性好，能在較惡劣的環境下長期工作，結構簡單適應大批量的生產，運行時雜訊低，使用維修方便，成本低，體積小；
結構堅固、質量輕、良好的環境適應性和高可靠性。

參考《純電動轎車驅動電機的選型分析》——金靈宋亮耿沖王琳琳

驅動電機分類

圖2 電動汽車驅動電機分類

項目直流電機交流電機永磁同步電機開關磁阻電機比功率低中高較高峰值效率（%）85~8994~9595~9785~90負荷效率（%）88~9179~8590~9278~86轉速範圍（rpm）4000~80009000~150004000~10000>15000可靠性差好中好功率密度低中最高中過載能力（%）200300~500300300~500成本（￥/kw）高低高低於感應電機控制操作性能最好好好好控制器成本低高高一般輸出功率相對成本（元/kw）1.00.8~1.21~1.50.6~1.0

近十年來,電動車電機驅動系統主要是開發系列化的交流非同步電動機驅動系統、永磁無刷電動機驅動系統和開關磁阻電動機驅動系統。與原來的直流有刷電機驅動系統相比,以上驅動系統具有明顯優勢,其突出優點是體積小,質量輕,調速範圍廣,可靠性高。上表給出了各種電機驅動系統的性能比較。目前,美國的汽車公司大多採用高速、高效的交流非同步電動機驅動系統,日本的汽車公司基本上採用永磁同步電動機驅動系統。

非同步電動機驅動系統

非同步電動機其特點是結構簡單,堅固耐用,成本低廉,運行可靠,低轉矩脈動,低雜訊,不需要位置感測器,轉速極限高。

非同步電動機矢量控制調速技術比較成熟,使得非同步電動機驅動系統具有明顯的優勢,因此被較早應用於電動車的驅動系統,目前仍然是電動車驅動系統的主流產品(尤其在美國),但己被其他新型無刷永磁牽引電動機驅動系統逐步取代。

最大缺點是驅動電路複雜,成本高;相對永磁電動機而言,非同步電動機效率和功率密度偏低。

永磁無刷電動機驅動系統

永磁無刷電動機可採用圓柱形徑向磁場結構或盤式軸向磁場結構,由於具有較高的功率密度和效率以及寬廣的調速範圍,發展前景十分廣闊,在電動車輛牽引電機中是強有力的競爭者,已在國內外多種電動車輛中獲得應用。

內置式永磁同步電動機也稱為混合式永磁磁阻電動機。該電機在永磁轉矩的基礎上疊加了磁阻轉矩,磁阻轉矩的存在有助於提高電機的過載能力和功率密度,而且易於弱磁調速,擴大恆功率範圍運行。內置式永磁同步電動機驅動系統的設計理論正在不斷完善和繼續深入,該電機結構靈活,設計自由度大,有望得到高性能,適合用作電動車高效、高密度、寬調速牽引驅動。這些引起了各大汽車公司同行們的關注,特別是獲得了日本汽車公司同行的青睞。當前,美國汽車公司同行在新車型設計中主要採用內置式永磁同步電動機。

表面凸出式永磁無刷直流電機也稱為永磁轉矩電動機,相對內置式永磁同步電動機而言,其弱磁調速範圍小,功率密度低。該結構電機動態響應快,並可望得到低轉矩脈動,適合用作汽車的電子伺服驅動,如汽車電子動力方向盤的伺服電機。

無位置感測器永磁同步電動機驅動系統也是當前永磁同步電動機驅動系統研究的一個熱點,將成為永磁同步電動機驅動系統的發展趨勢之一,具有潛在的競爭優勢。

永磁同步電動機驅動系統低速時常採用矢量控制,高速時用弱磁控制。

新一代牽引電機驅動系統

從20世紀os年代開關磁阻電動機驅動系統問世後,打破了傳統的電機設計理論和正弦波電壓源供電方式;並隨著磁阻電機,永磁電機、電力電子技術和計算機技術的發展,交流電機驅動系統設計進入一個新的黃金時代;新的電機拓樸結構與控制方式層出不窮,推動了新一代機電一體化電機驅動系統迅猛發展。高密度、高效率、輕量化、低成本、寬調速牽引電機驅動系統已成為各國研究和開發的主要熱點之一。

SRD開關磁阻電動機驅動系統的主要特點是電機結構緊湊牢固,適合於高速運行,並且驅動電路簡單、成本低、性能可靠,在寬廣的轉速範圍內效率都比較高,而且可以方便地實現四象限控制。這些特點使SRD開關磁阻電動機驅動系統很適合電動車輛的各種工況下運行,是電動車輛中極具有潛力的機種。SRD的最大缺點是轉矩脈動大,雜訊大。此外,相對永磁電機而言,功率密度和效率偏低;另一個缺點是要使用位置感測器,增加了結構複雜性,降低了可靠性。因此無感測器的SRD也是未來的發展趨勢之一。

永磁式開關磁阻電動機也稱為雙凸極永磁電動機,永磁式開關磁阻電動機可採用圓柱形徑向磁場結構、盤式軸向磁場結構和環形橫向磁場結構。該電機在磁阻轉矩的基礎上疊加了永磁轉矩,永磁轉矩的存在有助於提高電機的功率密度和減小轉矩脈動,以利於它在電動車輛驅動系統中應用。

轉子磁極分割型混合勵磁結構同步電機這一概念一提出就引起國際電工界和各大汽車公司研發中心的極大關注。轉子磁極分割型混合勵磁結構同步電動機具有磁場控制能力,類似直流電動機的低速助磁控制和高速弱磁控制,符合電動車輛牽引電動機低速大力矩和恆功率寬調速的需求。目前該電機的研究處於探索階段,電機的機理和設計理論有待於進一步深入研究與完善,作為候選的電動車輛牽引電動機具有較強的潛在的競爭優勢。

開關磁阻性能好，優點明顯同時缺點也非常明顯，相關知識可參考以下鏈接。

開關磁阻電機基本介紹:開關磁阻電機基礎知識、百度百科：開關磁阻電機、開關磁阻電機特點及應用

個人能力所限，關於各個分類的電機的詳細分析還沒有形成一個系統的認識，加之目前新能源汽車用驅動電機主要集中在交流非同步電機和永磁同步電機這兩類，因此後續內容主要集中在應用最多的永磁同步電機上，順帶介紹一下交流非同步電機。

感應電機同永磁電機對比分析

在上表中我們可以看出交流非同步電機的優點是：可靠性高，過載能力強、成本稍低，缺點是：功率密度相對較低、效率較低。永磁同步電機的優點是：效率高、功率密度高，缺點是：可靠性稍低，過載能力較低，成本較高。

針對這兩類電機的優缺點個人認為：

1）交流非同步電機比較適合用在大巴車、物流車等對安裝布置空間不敏感，要求過載能力強的車型上。

2）永磁同步電機比較適合用在乘用車上，乘用車對安裝布置空間要求高，一般不會產生過載。

感應電機與永磁電機的效率對比

圖3 感應電機損耗比率表

如上表所示感應電機的損耗主要包括：轉子銅損、雜散損耗、定子銅損（磁通電流）、定子銅損（轉矩電流）、摩擦和風阻損耗、定子鐵損這幾部分組成。相同功率的永磁電機相比感應電機沒有轉子銅損和定子銅損（磁通電流）因此永磁電機相比感應電機效率更高。

交流非同步電機和永磁同步電機可靠性對比

交流非同步電機只使用鐵和銅材料組成不使用永磁材料，永磁材料溫度特性差(一般80℃經過特殊處理的能夠達到200℃)，且易於粉化腐蝕，必須通過調整其化學成分和採取表面處理方法使之得以改進，才能達到實際應用的要求。相比交流非同步電機永磁同步電機在耐溫性能差和高轉速下永磁容易產生機械損傷，因此永磁同步電機相比交流非同步電機可靠性要差。

同時由於永磁同步電機磁場是由永磁體產生如不採取弱磁控制磁場強度是「恆定的」如果電機處於高轉速下，電機的反電動勢很可能會超過控制器的最高輸出電壓造成控制器損壞。因此在電機高速運行時會進行弱磁控制降低反電動勢，以提高電機轉速。

參考文章，擴展閱讀：
《純電動轎車驅動電機的選型分析》金靈宋亮耿沖王琳琳
《電動車驅動電機發展現狀》柴海波，鄢治國，況明偉，吳建東

《國外驅動電機在新能源汽車上的應用與發展》楊妙梁
《蔡蔚驅動電機講座課件》蔡蔚
《動車電機驅動系統的現狀和展望》貢俊黃蘇融
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