谈电动汽车的电气系统及其发展
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电气驱动是电动汽车的心脏，为了增加电动汽车的行驶里程，必须开发高功率密度、高效率、高可靠性以及价格合理的电气驱动系统。电气驱动系统是电动汽车的关键部件，对于高性能的电动汽车，电气驱动系统必须效率高、结构紧凑、体积小、重量轻和可靠性高。本文介绍电动汽车技术和产业化正在快速发展，电动汽车电气驱动系统的类型特点，以及电机驱动系统技术趋势。
　
　1.电动汽车技术和产业化正在快速发展

  目前继成为全球最大的汽车市场后，中国将有可能在电动汽车领域成为全球最大生产者，国内及跨国汽车制造企业将在这个领域里展开激烈竞争。报载2009年前4个月的销售规模已近300万辆，中国不久后也将成为全球最大的电动汽车市场。中国电动汽车市场具有很大潜力，按现在全球汽车销售规模来说，选择购买电动汽车的消费者可以达150万，其中20万将会来自中国。

  中国的轻型电动车从基础研究开始，在市场规模的有力推动之下，其自主技术创新经历了一个“爆炸式”的提升阶段。作为轻型电动车技术的后起国家，中国在短短几年走到世界轻型电动车技术的前沿，与之相关的驱动技术、电池技术、控制技术、充电技术、能量回收技术等已经领先于国际水平。一是驱动技术的进步。轻型电动车的驱动方式大约经过了两个阶段，进入2004年以后，浙江台州新大洋机电集团有限公司成功推广了他们研制的直槽式大转矩电机，在绿源电动车公司等一批优势整车企业的大力合作推动下，逐渐成熟为具有中国自主知识产权的优秀电机，开始成为轻型电动车的主流电机，具有技术含量高、性能可靠、实用性好等特点。二是电控技术的进步。轻型电动车控制技术发展进程同样经历了两个明显的阶段。第二阶段是以无刷电机的广泛成功应用为标志的。此时，控制器进入了快速发展的阶段，以微处理器（CPU）的广泛应用为主要特征，一批有较强的自主开发能力的电子技术企业迅速崛起。目前，第二阶段的爆炸性的技术创新仍在继续，一系列旨在提高车辆行车便利性和安全性的控制模式正在不断深化。CPU进入轻型电动车控制系统，为未来开发微型电动汽车的控制系统奠定了关键技术的产业化基础。

  三是电池技术的进步。中国的轻型电动车主要采用铅蓄电池作为储能部件，铅蓄电池所表现出的循环经济特征已经得到有效利用。目前，失效铅蓄电池进入再生铅工业的比例几乎达到100%，再生利用效率最高可达97.7%，低水平的也在85%～90%。近十年来“密封动力型铅蓄电池”领域技术进步明显，不仅开发了14Ah大容量电池，还使放电寿命特性曲线从一般的“抛物线型”变成理想的“马鞍型”，从而延长了电池寿命。由此，轻型电动车技术和产业化在中国的快速发展，正在拉开全球交通工具电动化的序幕。

2.电动汽车电气系统工作原理

  与燃油汽车相比，电动汽车的结构特点是灵活的，这种灵活性源于电动汽车具有以下几个独特的特点：首先，电动汽车的能量主要是通过柔性的电线而不是通过刚性联轴器和转轴传递的，因此，电动汽车各部件的布置具有很大的灵活性；其次，电动汽车驱动系统的布置不同（如独立的四轮驱动系统和轮毂电动机驱动系统等）会使系统结构区别很大，采用不同类型的电动机会影响到电动汽车的质量、尺寸和形状；不同类型的储能装置也会影响电动汽车的质量、尺寸及形状。另外，不同的补充能源装置具有不同的硬件和机构，例如蓄电池可通过感应式和接触式的充电机充电，或者采用替换蓄电池的方式，将替换下来的蓄电池再进行集中充电。

  电动汽车系统可分为电力驱动子系统、主能源子系统和辅助控制子系统。其中，电力驱动子系统又由电子控制器、功率转换器、电动机、机械传动装置和驱动车轮组成；主能源子系统由主电源、能量管理系统和充电系统构成；辅助控制子系统具有动力转向、温度控制和辅助动力供给等功能。根据制动踏板和加速踏板输入的信号，电子控制器发出相应的控制指令来控制功率转换器的功率装置的通断，功率转换器的功能是调节电动机和电源之间的功率流。当电动汽车制动时，再生制动的动能被电源吸收，此时功率流的方向要反向。能量管理系统和电控系统一起控制再生制动及其能量的回收，能量管理系统和充电系统一同控制充电并监测电源的使用情况。辅助动力源供给电动汽车辅助系统不同等级电压并提供必要的动力，它主要给动力转向、空调、制动及其它辅助装置提供动力。除了从制动踏板和加速踏板给电动汽车输入信号外，转向盘也是一个很重要的输入信号，动力转向系统根据转向盘的角位置来决定汽车灵活地转向。

  现代电动汽车很多采用三相交流感应电动机，相应的功率转换器采用脉宽调制逆变器，机械变速传动系统一般采用固定速比的减速器或变速器与差速器。镍氢电池也是被电动汽车广泛采用的一种典型的动力能源，相应的能源补充系统就是充电器。

  采用不同的电力驱动系统可构成不同结构形式的电动汽车。由发动机前置前轮驱动的燃油车发展而来，它由电动机、离合器、变速器和差速器组成。离合器用来切断或接通电动机到车轮之间传递动力的机械装置，变速器是一套具有不同速比的齿轮机构，驾驶员可选择不同的变速比，把力矩传给车轮。如果用固定速比的减速器，去掉离合器可减少机械传动装置的质量、缩小其体积。电动机也可以装在车轮里面，称为轮毂电动机，可进一步缩短从电动机到驱动车轮的传递路径。为了将电动机转速降低到理想的车轮转速，可采用固定减速比的行星齿轮变速器，它能提供大的减速比，而且输入和输出轴可布置在同一条轴线上。表示了另一种使用轮毂电动机的电动汽车结构，这种结构采用低速外转子电动机，彻底去掉了机械减速变速器，电动机的外转子直接安装在车轮的轮缘上，车轮转速和电动汽车的车速控制完全取决于电动汽车的转速控制。

  3.电动汽车电气系统的功用和组成

  在汽车业界，如何削减汽车的二氧化碳排放量已成为重要课题。作为一个有效的解决途径，电动汽车已成为各大汽车厂商竞争的焦点。电动车是一种安全、经济、清洁的绿交通工具，不仅在能源、环境方面有其独特的优越性和竞争力，而且能够更方便地采用现代控制技术实现其机电一体化的目标，因而具有广阔的发展前景。

  现有电动汽车的组成包括：电力驱动及控制系统、驱动力传动等机械系统、完成既定任务的工作装置等。其大致可以分为以下几个主要部分：蓄电池、电池管理、充电系统、驱动系统、整车管理系统及车体等。电力驱动及控制系统是电动汽车的核心，也是区别于内燃机汽车的最大不同点。电力驱动及控制系统由驱动电动机、电源和电动机的调速控制装置等组成。电动汽车的其他装置基本与内燃机汽车相同。驱动系统为电动车提供所需的动力，负责将电能转换成机械能。无论何种电动车的驱动系统，均具有基本相同的结构，都可以分成能源供给子系统、电气驱动子系统、机械传动子系统三部分，其中电气驱动子系统是电动车的心脏，主要包括电动机、功率电子元器件及控制部分;电动车驱动系统均具有相同或相似的功能模块。

  电源为电动汽车的驱动电动机提供电能，电动机将电源的电能转化为机械能，通过传动装置或直接驱动车轮和工作装置。目前，电动汽车上应用最广泛的电源是铅酸蓄电池，但随着电动汽车技术的发展，铅酸蓄电池由于比能量较低，充电速度较慢，寿命较短，逐渐被其他蓄电池所取代。正在发展的电源主要有钠硫电池、镍铬电池、锂电池、燃料电池、飞轮电池等，这些新型电源的应用，为电动汽车的发展开辟了广阔的前景。驱动电动机的作用是将电源的电能转化为机械能，通过传动装置或直接驱动车轮和工作装置。目前电动汽车上广泛采用直流串激电动机，这种电机具有软的机械特性，与汽车的行驶特性非常相符。但直流电动机由于存在换向火花，比功率较小、效率较低，维护保养工作量大，随着电机技术和电机控制技术的发展，势必逐渐被直流无刷电动机（BCDM）、开关磁阻电动机（SRM）和交流异步电动机所取代。

  电动机调速控制装置是为电动汽车的变速和方向变换等设置的，其作用是控制电动机的电压或电流，完成电动机的驱动转矩和旋转方向的控制。早期的电动汽车上，直流电动机的调速采用串接电阻或改变电动机磁场线圈的匝数来实现。因其调速是有级的，且会产生附加的能量消耗或使用电动机的结构复杂，现在已很少采用。目前电动汽车上应用较广泛的是晶闸管斩波调速，通过均匀地改变电动机的端电压，控制电动机的电流，来实现电动机的无级调速。在电子电力技术的不断发展中，它也逐渐被其他电力晶体管斩波调速装置所取代。从技术的发展来看，伴随着新型驱动电机的应用，电动汽车的调速控制转变为直流逆变技术的应用，将成为必然的趋势。

  在驱动电动机的旋向变换控制中，直流电动机依靠接触器改变电枢或磁场的电流方向，实现电动机的旋向变换，这使得孔子哈电路复杂、可靠性降低。当采用交流异步电动机驱动时，电动机转向的改变只需变换磁场三相电流的相序即可，可使控制电路简化。此外，采用交流电动机及其变频调速控制技术，使电动汽车的制动能量回收控制更加方便，控制电路更加简单。

  电动汽车传动装置的作用是将电动机的驱动转矩传给汽车的驱动轴，当采用电动轮驱动时，传动装置的多数部件常常可以忽略。因为电动机可以带负载启动，所以电动汽车上无需传统内燃机汽车的离合器。因为驱动电机的旋向可以通过电路控制实现变换，所以电动汽车无需内燃机汽车变速器中的倒档。当采用电动机无级调速控制时，电动汽车可以忽略传统汽车的变速器。在采用电动轮驱动时，电动汽车也可以省略传统内燃机汽车传动系统的差速器。

  行驶装置的作用是将电动机的驱动力矩通过车轮变成对地面的作用力，驱动车轮行走。它同其他汽车的构成是相同的，由车轮、轮胎和悬架等组成。

  转向装置是为实现汽车的转弯而设置的，由转向机、方向盘、转向机构和转向轮等组成。作用在方向盘上的控制力，通过转向机和转向机构使转向轮偏转一定的角度，实现汽车的转向。多数电动汽车为前轮转向，工业中用的电动叉车常常采用后轮转向。电动汽车的转向装置有机械转向、液压转向和液压助力转向等类型。微型电动车

  电动汽车的制动装置同其他汽车一样，是为汽车减速或停车而设置的，通常由制动器及其操纵装置组成。在电动汽车上，一般还有电磁制动装置，它可以利用驱动电动机的控制电路实现电动机的发电运行，使减速制动时的能量转换成对蓄电池充电的电流，从而得到再生利用。

  工作装置是工业用电动汽车为完成作业要求而专门设置的，如电动叉车的起升装置、门架、货叉等。货叉的起升和门架的倾斜通常由电动机驱动的液压系统完成。

  4.电动车电气驱动系统的类型特点

  电动机的类型对电气驱动系统以及电动车整体性能影响非常大，评价电动车的电气驱动系统实质上主要就是对不同电动机及其控制方式进行比较和分析。目前正在应用或开发的电动车电动机主要有直流电动机、感应电动机、永磁无刷电动机、开关磁阻电动机四类。

  直流电动机结构简单，具有优良的电磁转矩控制特性，所以直到20世纪80年代中期，它仍是国内外的主要研发对象。而且目前国内用于电动车的绝大多数是直流驱动系统。目前，我国电动车电驱动系统仍以直流电机驱动为主，普遍采用从蓄电池到功率变换器再到驱动电机的单向能量传递方式，它存在着很多不足。具体而言，直流电机虽然具有结构简单、可控制性好、调速范围宽、起动转矩倍数较大、控制电路相对简单、成本较低等优点，但它的缺点同样不可忽视。有刷直流电机由于存在着机械换向部件电刷或换向器，很容易导致火花，噪声和震动严重，电磁干扰问题突出，而且电刷或换向器的维护比较困难，使用寿命较短，此外，电机的体积十分庞大，造成有限空间的浪费；无刷直流电机虽然克服了有刷电机的一些缺陷，但它的转子位置检测困难，整机价格颇高，性价比相对较低。再从系统效率角度来看，由于绝大多数系统采用单向功率传递，使得车辆在刹车减速或下坡滑行时白白地浪费了大量能量。此外，电刷、换向器等的机械震动、摩擦，也造成了系统效率的降低。随着控制理论和电力电子技术的发展，直流驱动系统与其它驱动系统相比，已大大处于劣势。因此，目前国外各大公司研制的电动车电气驱动系统已逐渐淘汰了直流驱动系统。

  电动车感应电动机与一般感应电动机相比较具有以下特征：稳定运行时，与一般感应电动机工况相似;驱动电动机没有一般感应电动机的起动过程，转差率小，转子上的集肤效应不明显;运行频率不是50Hz，而是远远在此之上;采用变频调速方式时，转速与极数之间没有严格对应关系。为此，电动车感应电动机设计方面如下特点：尽力扩大恒转矩区，使电动机在高速运转时也能有较高转矩。而要提高转矩，则需尽量减小定转子之间的气隙，同时减小漏抗;更注重电动机的电磁优化设计，使转矩、功率和效率等因素达到综合最优;减少重量、体积，以增加与车体的适配性。应用于感应电动机的变频控制技术主要有三种：V/F控制、转差频率控制、矢量控制。20世纪90年代以前主要以PWM方式实现V/F控制和转差频率控制，但这两种控制技术因转速控制范围小，转矩特性不理想，而对于需频繁起动、加减速的电动车不太适宜。近几年来，研制的电动车感应电动机几乎都采用矢量控制技术。矢量控制按其侧重点不同，主要有两种控制策略：提高驱动系统效率的最大效率控制与简化系统、降低成本的无速度传感器矢量控制。最大效率控制技术是通过使励磁电流Io随电动机参数和负载条件而变化来实现在任何负载条件下都使电动机的损耗最小，效率最大的目标。矢量控制离不开速度的控制，而无速度传感器是利用电动机电压、电流和电动机参数来估算出速度，从而无需一般矢量控制中的速度传感器，达到简化系统、降低成本、提高可靠性的目的。

  电动车行业发展到今天，几乎全部采用了无刷电机控制系统，这种控制系统无论是在技术上还是在使用上都显现出它的优势。永磁无刷电动机系统可以分为两类，一类是方波驱动的无刷直流电动机系统（BDCM），另一类是永磁同步电动机系统（PMSM），也称为正弦波驱动的无刷直流电动机系统。BDCM系统不需要绝对位置传感器，一般采用霍尔元件或增量式码盘，也可以通过检测反电动势波形换相。PMSM系统一般需要绝对式码盘或旋转变压器等转子位置传感器。从磁铁所处不同位置的结构上看，永磁无刷电动机可以分成表面型、镶嵌型、深埋式等结构型式，在电动汽车中也有采用盘式结构或外转子结构的。深埋式永磁同步电动机因其有高的功率密度、有效的弱磁控制及方便的最大效率控制而在电动车应用领域倍受青睐，是当前电动车电动机研发的热点。

  用在电动车上的永磁同步电动机是将磁铁插入转子内部，得到同步旋转的磁极深埋式转子结构，这种电动机在结构设计方面主要有两个特征：转子磁铁使用埋入式；采用多极化设计。这种设计具有显著的优点：与将永磁体贴在转子表面的情况相比，将永磁体植入转子内部，则即使高速旋转，永磁体也不会飞散，为此就使设计超高速电动机成为可能。对于要求的最大转矩而言，采用转子结构，永磁电动机能做得更小;电机多极化设计也是降低成本的有效手段。

  深埋式永磁同步电动机的控制技术。深埋式永磁同步电动机控制系统与一般电动机的控制系统多为速度控制系统或位置控制系统不同，电动车是由加速器与控制器共同决定的转矩指令来控制电机。因为转矩由电流决定，所以实际上构成了一个电流控制系统。以上设计不仅考虑了电动机的特性，还考虑了电动机的控制方法及使用方法，系统结构紧凑、性能稳定，是目前电动车的优选驱动系统。

  目前，开关磁阻电动机（SRM）已投入实际使用，法国F1AT公司研制的电动车和东风电动客车都曾采用了开关磁阻电动机。SRM是没有任何形式的转子导体和永久磁铁的无刷电动机，它的定子磁极和转子磁极都是凸的。由于SRM具有集中的定子绕组和脉冲电流，其功率变换器可以采用更可靠的电路拓扑形式。SRM具有简单可靠、在较宽转速和转矩范围内高效运行、控制灵活、可四象限运行、响应速度快、成本较低等优点。但SRM有转矩波动大、噪声大、需要位置检测器、系统非线性特性等缺点，所以，目前应用还受到限制。针对传统SRM的缺点，研制了永磁式开关磁阻电动机驱动系统（PMSRD），通过高性能永磁钢的引入，克服了传统SRM存在的换流相对较慢、能量利用率较低的缺点，增加了电机的比功率密度。由于SRM系统具有明显的非线性特性，系统难于建模，一般的线性控制方式不适于SRM系统。目前主要利用模糊逻辑控制、神经网络控制等。

  5.电动车电机驱动系统技术的发展趋势

  电动汽车用电机驱动系统不同于普通的风机、水泵等工业应用。受到车辆空间限制和使用环境的约束，汽车要求电机驱动系统有更高的性能，更高的体积重量比密度，更高的耐受环境温度范围，并且能经受高强度的振动以及更低成本等。为满足以上严格甚至苛刻的要求，电动汽车电机驱动系统技术的发展趋势基本可以归纳为永磁化、数字化和集成化。

  永磁电机具有效率高、比功率大、功率因数高、可靠性高和便于维护等优点，采用矢量控制的变频调速系统，可使永磁电动机具有宽广的调速范围，因此，以丰田汽车和本田汽车为代表的国际化制造商以及国内一汽、东风、长安、奇瑞等厂商均在其电动汽车中采用了永磁电机方案，推动了车用电机向永磁化方向发展。永磁电机的主要材料、部件是钕铁硼磁钢、电工钢和高速轴承。进入21世纪以来，我国磁性材料产业年增长率超过20%。据统计，2004年烧结钕铁硼永磁达到27510吨(占全球总量的81%)，黏结钕铁硼永磁达到1350吨(占全球总量的35%)。作为制造电机铁芯的材料，电工钢带是使用最普遍的重要磁性材料，是车用电机高效、高功率密度的保障，其成本占到了电机本体成本的20%左右。据报道日本住友电工生产的0.27mm厚电工钢带已用在混合动力驱动电机上，我国宝钢集团在“863”课题支持下，从2008年起开展了电动汽车驱动电机用电工钢带研发，我国车用驱动电机系统可望在近期采用国产的高效电工钢带。另外，要保证电动汽车历经20余万公里、经受严寒酷暑仍然可以运行，车用电机高速轴承仍需要投入开发，目前我国所研制的车用驱动系统大多采用进口的高速轴承。

  在电动汽车中，由燃料电池或蓄电池提供的直流电能，通过一个或多个逆变器将其转换成交流电能驱动永磁电机运动，其中车用电机驱动控制器由逆变器和电机的控制电路构成。到目前为止，由于电动汽车的直流电压大多低于600V，逆变器都采用三相两电平结构和1200V以下的IGBT模块，其中逆变器的核心器件IGBT和电容的成本占到了电机驱动控制器成本的50%以上。在混合动力汽车应用中，为了简化冷却系统、降低整车成本，对车用电机驱动系统提出了冷却液入口温度大于105℃的要求，这个要求除提高了电机绝缘等级和钕铁硼磁钢的等级外，市场上广泛使用的150℃结温IGBT不能满足要求，需要使用175℃结温IGBT，并仔细设计高换热效率的散热器系统。逆变器控制系统数字化也是未来电机驱动技术发展的必然趋势。数字化不仅包括驱动控制的数字化、驱动到数控系统接口的数字化，而且还应该包括测量单元数字化。随着微电子学及计算机技术的发展，高速、高集成度、低成本的专用芯片以及数字信号处理器(DSP)等的问世及商品化，使全数字的控制系统成为可能。用软件最大限度地代替硬件，除完成要求的控制功能外，还应该具有保护、故障监控、自诊断等其他功能。

  电机驱动系统的集成化包括两个方面：机电集成。其一是车用电机与发动机集成构成混合动力发动机总成，如本田的ISA系统；其二将车用电机与变速箱集成，如丰田混合动力系统THS。总之，车用电机与汽车发动机或变速箱集成的方向发展有利于减小整个系统的重量和体积，有效降低系统制造成本。此外，将电动汽车驱动控制器的开关器件、电路、控制、传感器、电源和无源器件都集成到标准的模块中构成电力电子组件，这种集成方法可以较好地解决不同工艺的电路之间的组合和高电压隔离等问题，具有较高的集成度，也可以比较有效地减小体积和重量，但目前还存在分布参数、电磁兼容、传热等具有较高难度的技术问题，并且尚不能有效地降低成本，达到更高的可靠性。近10年来，我国车用电机驱动系统的研发就得到了各方面的重视和支持，通过在电动汽车中的应用，验证了技术、锻炼了队伍，研发出全数字化矢量控制的车用交流异步电机驱动系统和开关磁阻驱动系统，其技术水平达到了当时国际先进水平，形成了有利于提高产品品质、降低成本的产业链。

  随着电力电子技术的发展，交流电动机控制变得比较容易了。为此，电动车的电气驱动系统从直流电动机转向交流电动机，特别是感应电动机具有结构紧凑、可靠性高、成本低的优点，对于电动车来说是特别可贵的。但永磁电动机除有以上优点外，还在转换效率方面又较感应电动机稍胜一畴。开关磁阻电动机具有结构简单、控制灵活、可四象限运动、可靠性高、能在较宽的速度和转矩范围内高效运行等特点，作为具有潜力的电动车电气驱动系统日益受到重视。但其转矩脉动大，噪声大等缺点一直未得到很好解决，如何从电机设计和控制策略两方面加以改进是现在的研究热点。永磁电动机电气驱动系统以转速更高、用磁更省、可以实现转子轻小紧凑、低成本化设计而成为研究与应用的热点。但永磁电动机也有制成后难以调节磁场以控制功率因素和无功功率的缺点，这将成为今后的研究方向。在控制器件方面，应用新一代功率电子器件，可使变频器有更高的功率密度和效率，结构也更牢固，更适于电动车所用。在控制策略方面，变结构控制、模糊控制、神经网络控制以及专家系统等新的控制方法正逐渐应用于电动车驱动系统中，并取得越来越好的效果。