任寿萱
【摘 要】解析新能源电动汽车用驱动电机的要求及主要性能参数;对新能源汽车目前所采用的各种类型驱动电机一一作了简述;分析各类驱动电机的结构特点、应用范围及优缺点.
【期刊名称】《汽车电器》
【年(卷),期】2014(000)012
【总页数】6页(P8-13)
【关键词】电动汽车;能源;电机;标准
【作 者】混动汽车任寿萱
【作者单位】凯捷利集团苏州高性能机电研究院,江苏苏州 215153
【正文语种】中 文
【中图分类】U469.72
新能源汽车电机驱动系统主要由电机、功率转换器、控制器、各种检测传感器以及电源等部分构成。电机驱动系统既是新能源电动汽车的核心部件之一，也是关键系统之一，起到驱动车辆前进以及回收制动能量的作用，其驱动特性决定了汽车行驶的主要性能指标。在纯电动汽车和燃料电池汽车中，作为惟一的驱动力来源，它提供车辆行驶全部的驱动力，相当于传统汽车的发动机；由于系统能够工作在回馈制动状态，在车辆制动时，车辆的动能通过驱动系统的发电特性转换为电能，存储到车载电源系统中，具备了传统发动机无法实现的能量回馈功能。在混合动力汽车的电机驱动系统中，其作用主要包括动力供应，平衡发动机功率和回馈能量3种，根据混合度的不同，其作用略有差别。
1 新能源电动汽车对电机的要求
电动汽车用驱动电机的性能好坏，将直接影响到电动汽车的频繁起步、停车、加减速性能、高速行驶以及爬坡等重要技术性能。为满足电动汽车的动力性、经济性和排放性，新能源电动汽车对驱动电机有一些特殊的要求，在电机设计制造时必须予以充分考虑。
1）以电磁转矩为控制目标，加速踏板和制动踏板的开度是电磁转矩给定的目标值，要求电机转矩响应迅速，转矩波动小，稳定性好。
2）由于电动汽车行驶时，有起动、加速、巡航、减速和制动等多工况，要求驱动电机具有较宽的调速范围，能在四象限内工作。为保证加速时间，要求电机在低速时具有大的输出转矩及过载能力 （一般为额定转矩2～4倍），过载时间达3 min以上；为保证电动汽车在巡航时达到最高转速行驶，电机在高速行驶时具有高的功率，最高转速一般为基速的2倍以上。
3）电机的损耗要低，在整个运行范围内具有高效率，提高1次充电的续航里程。
4）电动汽车减速时能实现再生制动，将能量回收并反馈回蓄电池，能量回收率应占总能量的10%～15%。
5）电机的安全性应符合国家有关车辆电气安全性能的标准规定，对高电压的还需装备高压保护装置。
6）可靠性高，电机的耐振、耐温和耐湿性能力强，能在恶劣的气候环境和各种道路上长时
间工作。
7）电机运行噪声低。
8）电磁兼容性好。
9）由于电动汽车留给电机的安装空间有限，整车又要求轻量化，因此驱动电机整机的体积要尽可能小，质量尽可能轻。结构简单，使用维护方便。在允许范围内尽量采用高电压。
10）价格合理，经济性好，适合于批量生产。
2 新能源电动汽车驱动电机的种类
根据驱动电机的工作原理、结构的不同，新能源电动汽车驱动电机的分类如图1所示。
图1 新能源电动汽车驱动电机的分类
电动汽车在早期采用的是直流电机，随后逐步采用交流感应电机、永磁同步电机和开关磁阻电机。
2.1 直流电机
早期的电动汽车用驱动电机大多采用直流电机。直流电机能得到大量的应用，最主要的原因是因为它具有优良的转矩特性、控制原理和控制装置简单、控制成本低、起动和加速转矩大、调速性能好且比较方便等优点，但其致命的缺点是有电刷和机械换向器，限制了电机过载能力、速度、功率体积比、功率质量比和效率的进一步提高，换向时产生噪声，换向器表面会产生电火花和电磁干扰，可靠性降低，需要定期维护，极大地影响了它的应用场合，现在某些电动汽车仍有采用。
与其他通用电机相比，在电动汽车用直流电机设计时，应使电机在耐高温、抗振动、低损耗、抗负载波动、小型轻量化和免维护等方面，给予特殊的考虑。
根据励磁绕组的不同，直流电机可分为他励和自励两种。自励又可分为串励、并励和复励3种。自励多应用于小功率直流电机，而他励则多用于中大功率直流电机，早期的电动汽车用驱动直流电机以他励居多。
直流电机的调速控制主要是通过改变电枢电压，采用PWM斩波器和PI调节器来实现调速控
制。不同类型的斩波器适用于不同的模式，单象限型适用于电动模式；二象限型适用于电动或再生制动模式；四象限型适用于通过电子控制的正向电动和反向制动模式。直流电机的电压、转速和转矩特性曲线如图2所示。
图2 电动汽车用并励、他励直流电机的电压、转速和转矩特性曲线
直流电机在新能源电动汽车上的应用实例如表1所示。
表1 直流电机应用实例车 型法国雪铁龙SAXO电动轿车标致QCGS106 EV主要技术参数20kW，120V，最高车速 90km／h，续航里程100km 20kW，120V，最高车速 110km／h，续航里程200km
2.2 交流感应电机
交流感应电机又称交流异步电机。随着微电子、电力电子技术和自动化控制技术的快速发展，电动汽车上采用交流感应电机作为驱动电机日益增多，特别是国外对交流异步铸铜转子感应电机作为牵引电机的使用非常重视。与直流电机相比，其结构简单坚固、质量轻、体积小、低成本、效率高、价格低廉。电机的定子输入频率可在较大范围内变化，调速范
围宽，是电动汽车用驱动电机的理想选择，尤其是对驱动系统功率需求较大的电动客车。但异步电机低速运行时，也存在着效率低、发热严重、控制系统复杂等有待克服的技术问题。
交流感应电机有鼠笼转子式和绕线转子式。绕线转子式可通过改变外电路参数来改善电机的运行性能，但其成本高、需要维护、耐久性不足，因而它没有鼠笼转子式应用那么广泛，特别是在纯电动汽车和混合动力汽车上。
电动汽车上使用的交流感应电机的额定电压一般为380 V，电动轿车 （包括其他类型的乘用车）功率为20～80kW，电动大客车 （包括货车）功率为100～150kW。
电动汽车采用交流感应电机时，应合理选定电机的容量，尽可能地避免出现 “大马拉小车”的现象，尽量缩短电机空载运行的时间，需根据有关动力性能参数正确予以选择。
目前，国内外高性能的电动汽车交流感应电机控制，主要是矢量控制和直接转矩控制两种控制方法。矢量控制方法已较成熟，应用普遍，直接转矩控制方法则有待于进一步提高完善。矢量控制系统的三相交流感应电机的机械特性如图3所示。
图3 矢量控制系统的三相交流感应电机的机械特性
交流异步电机在新能源电动汽车上的应用实例如表2所示。
表2 交流异步电机应用实例车 型通用公司EV1／EV2纯电动汽车西门子水冷交流异步电机Siemens 1PU5115-4W京华客车的电动公交客车交流异步电机JD132A中通客车的纯电动豪华旅游车交流异步电机JD144C主要技术参数102 kW（3 000 r／min 时），可在 0～7 000 r／min的任何转速下产生149Nm转矩650V，67kW，最大功率150kW，转矩160 Nm，最大转矩 360 Nm（250 A 时），电流124 A，持续转矩450 Nm，最高转速15000r／min，能量密度 1.67kW／kg额定功率100kW，峰值功率150kW，额定电压360V，额定转速2000r／min。峰值转速 4500r／min， 额定转矩447.8 Nm，峰值转矩850Nm额定功率100kW，峰值功率150kW，额定电压360V，额定转速2000r／min。峰值转速 5 300 r／min，额定转矩 447 Nm，峰值转矩1000Nm
2.3 永磁同步电机
永磁同步电机具有高功率密度、高效率、易散热、高可靠性和较好的动态性能等特点，是当前电动车辆驱动用电机的研究热点。
永磁同步电机可分为交流永磁同步电机 （PMSM）、直流无刷永磁电机 （BLDCM）和新型永磁电机 ［混合式永磁电机 （HSM）、续流增磁永磁电机］三大类，目前电动汽车主要采用的是前2类。
2.3.1 交流永磁同步电机 （PMSM）
交流永磁同步电机是反电动势波形和供电电流波形都是正弦波的交流永磁电机，又称为正弦波永磁同步电机，采用定子磁场定向矢量控制及转子连续位置反馈信号来控制调速或换向。
电机由定子和转子组成，定转子之间有气隙，定子和普通交流电机相同，定子槽内嵌入三相绕组。转子采用永磁体励磁，根据永磁体在转子上安放的位置不同，转子可分为3种结构：①永磁体表面凸出式结构，电机的极性是隐极式；②永磁体表面嵌入式结构，电机的极性是凸极式 （凸极度低）；③永磁体内置式结构，电机的极性是凸极式 （凸极度高）。
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