作者：牛銘超

來源：《科學(xué)與財(cái)富》2018年第30期

摘要：驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)是電動(dòng)汽車的關(guān)鍵技術(shù)之一。本文對(duì)電動(dòng)汽車的幾種典型驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了定性分析，對(duì)它們的性能進(jìn)行了比較，指出了它們各自的優(yōu)缺點(diǎn)。

人類與環(huán)境共存和全球經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展使人們迫切希望尋求到一種低排放和有效利用資源的交通工具，使用電動(dòng)汽車無疑是一種很有希望的方案。

現(xiàn)代電動(dòng)汽車是融合了電力、電子、機(jī)械控制、材料科學(xué)以及化工技術(shù)等多種高新技術(shù)的綜合產(chǎn)品。整體的運(yùn)行性能、經(jīng)濟(jì)性等首先取決于電池系統(tǒng)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)。

典型的電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，由電池供電給逆變器，通常會(huì)有一個(gè)變速箱來帶動(dòng)整個(gè)車輛。這個(gè)控制系統(tǒng)帶有傳感器，控制器現(xiàn)在都發(fā)展成數(shù)字化，電動(dòng)機(jī)的變化不是很多。與工業(yè)應(yīng)用相比，汽車應(yīng)用是個(gè)不同的概念。工業(yè)應(yīng)用空間不受限制，用標(biāo)準(zhǔn)封裝模式來應(yīng)用還是可行的，但是對(duì)于汽車應(yīng)用來講，空間是有限的，每一套系統(tǒng)都根據(jù)特定車型來訂制，尤其混合動(dòng)力汽車體現(xiàn)非常明顯。在可靠性方面，工業(yè)應(yīng)用可靠性很高，但是不管從哪方面講，工業(yè)應(yīng)用的等級(jí)還是不如汽車應(yīng)用，因?yàn)樗麄兊哪康氖遣煌?。在工業(yè)應(yīng)用中，主要是保證應(yīng)用效率的可靠性，但是在汽車應(yīng)用中，電動(dòng)機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的可靠性涉及到乘車者的安全，所以可靠性要求非常高。冷卻方式上工業(yè)應(yīng)用是風(fēng)冷，汽車應(yīng)用是水冷?？刂菩阅芊矫婀I(yè)應(yīng)用多為變頻調(diào)速控制，其動(dòng)態(tài)性能差，而汽車應(yīng)用里，需要精確的力矩控制，動(dòng)態(tài)性能好。

目前車用電驅(qū)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)主要有永磁化、數(shù)字化和集成化。

永磁磁阻電動(dòng)機(jī)效率高，比功率較大，功率因數(shù)高。數(shù)字化是電驅(qū)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的核心。電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)集成有兩種方式，一種是電動(dòng)機(jī)跟發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)合，一種是電動(dòng)機(jī)跟變速箱結(jié)合。還有一種趨勢(shì)是做電力電子的集成，現(xiàn)在驅(qū)動(dòng)控制器產(chǎn)品中，國際最高水平是17.2kW。采用混合電力電子集成技術(shù)，核心是采用高功能集成模塊，采用新型薄膜電容一體化的技術(shù)。

電動(dòng)汽車的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)一般由4個(gè)主要部分組成，即控制器、功率變換器、電動(dòng)機(jī)及傳感器。電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)式電動(dòng)汽車（EV）和混合電動(dòng)汽車（HEV）的心臟。電動(dòng)機(jī)將電能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能推動(dòng)車輛，或反之將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能進(jìn)行再生制動(dòng)和對(duì)車載儲(chǔ)能裝置充電。目前電動(dòng)汽車中使用的電動(dòng)機(jī)一般有直流電動(dòng)機(jī)、感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)以及永磁無刷電動(dòng)機(jī)等。

一、電動(dòng)汽車對(duì)電動(dòng)機(jī)的基本要求

電動(dòng)汽車的運(yùn)行，與一般的工業(yè)應(yīng)用不同，非常復(fù)雜。用于電動(dòng)汽車的電動(dòng)機(jī)通常要求頻繁地起動(dòng)和停車、高變化率的加速度/減速度、高轉(zhuǎn)矩且低速爬坡、低轉(zhuǎn)矩而高速行駛以及非常寬的運(yùn)行速度范圍。因此，對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的要求是很高，主要由以下特點(diǎn)：

1.1電動(dòng)汽車用電動(dòng)機(jī)應(yīng)具有瞬時(shí)功率大，過載能力強(qiáng)、過載系數(shù)（應(yīng)為3～4），加速性能好，使用壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)。

1.2電動(dòng)汽車用電動(dòng)機(jī)應(yīng)具有寬廣的調(diào)速范圍，包括恒轉(zhuǎn)矩區(qū)和恒功率區(qū)。在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)，要求低速運(yùn)行時(shí)具有大轉(zhuǎn)矩，以滿足起動(dòng)和爬坡的要求；在恒功率區(qū)，要求低轉(zhuǎn)矩時(shí)具有高的速度，以滿足汽車在平坦的路面能夠高速行駛的要求。

1.3電動(dòng)汽車用電動(dòng)機(jī)應(yīng)能夠在汽車減速時(shí)實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng)，將能量回收并反饋回蓄電池，使得電動(dòng)汽車具有最佳能量的利用率，這在內(nèi)燃機(jī)汽車上是不能實(shí)現(xiàn)的。

1.4電動(dòng)汽車用電動(dòng)機(jī)應(yīng)在整個(gè)運(yùn)行范圍內(nèi)，具有高的效率，以提高1次充電的續(xù)駛里程。

另外還要求電動(dòng)汽車用電動(dòng)機(jī)可靠性好，能夠在較惡劣的環(huán)境下長(zhǎng)期工作，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單適應(yīng)大批量生產(chǎn)，運(yùn)行時(shí)噪聲低，使用維修方便，價(jià)格便宜等。

二、電動(dòng)汽車用電動(dòng)機(jī)的種類和控制方法

2.1直流電動(dòng)機(jī)

有刷直流電動(dòng)機(jī)被廣泛用于要求轉(zhuǎn)速可調(diào)、調(diào)速性能好，以及頻繁起動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)的場(chǎng)合。它的主要優(yōu)點(diǎn)是控制簡(jiǎn)單、技術(shù)成熟，具有交流電機(jī)不可比擬的優(yōu)良控制特性，已廣泛用于不同的電力牽引應(yīng)用系統(tǒng)中。在早期開發(fā)的電動(dòng)汽車上多采用直流電動(dòng)機(jī)，即使到現(xiàn)在，還有一些電動(dòng)汽車上仍使用直流電動(dòng)機(jī)來驅(qū)動(dòng)。但由于存在電刷和機(jī)械換向器，不但限制了電機(jī)過載能力與速度的進(jìn)一步提高，而且如果長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，勢(shì)必要經(jīng)常維護(hù)和更換電刷和換向器。另外，由于損耗存在于轉(zhuǎn)子上，使得散熱困難，限制了電機(jī)轉(zhuǎn)矩質(zhì)量比的進(jìn)一步提高。鑒于直流電動(dòng)機(jī)存在以上缺陷，在新研制的電動(dòng)汽車上已基本不采用直流電動(dòng)機(jī)。

2.2交流三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)

2.2.1交流三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的基本性能

交流三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)是應(yīng)用得最廣泛的電動(dòng)機(jī)。其定子和轉(zhuǎn)子采用硅鋼片疊壓而定子之間沒有相互接觸的滑環(huán)、換向器等部件。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，經(jīng)久耐用。交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的功率覆蓋面很寬廣，轉(zhuǎn)速達(dá)到12000～15000r/min?？刹捎每諝饫鋮s或液體冷卻方式，冷卻自由度高。對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性好，能夠?qū)崿F(xiàn)再生反饋制動(dòng)。與同樣功率的直流電動(dòng)機(jī)相比較，效率較高，質(zhì)量減輕一半左右，價(jià)格便宜，維修方便。

2.2.2交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)

由于交流三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)不能直接使用蓄電池供給的直流電，另外交流三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)具有非線性輸出特性。因此，在采用交流三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)汽車上，需要應(yīng)用逆變器中的功率半導(dǎo)體器件，將直流電變?yōu)轭l率和幅值都可以調(diào)節(jié)的交流電來實(shí)現(xiàn)對(duì)交流三相電動(dòng)機(jī)的控制。主要有v/f控制法、轉(zhuǎn)差頻率控制法。

用矢量控制法，對(duì)交流三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁繞組交流電的頻率和輸入交流三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的端調(diào)控制，控制交流三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的磁通量和轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)改變交流三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)矩，來滿足負(fù)載變化特性的要求，并能夠獲得最高效率，從而使得交流三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)能夠在電動(dòng)汽車上得到廣泛應(yīng)用。

2.2.3交流三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的不足

交流三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的耗電量較大，轉(zhuǎn)子容易發(fā)熱，在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)需要保證對(duì)交流三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的冷卻，否則會(huì)損壞電動(dòng)機(jī)。交流三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)較低，使得變頻變壓裝置的輸入功率因數(shù)也較低，因此需要采用大容量的變頻變壓裝置。交流三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)的造價(jià)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于交流三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)本身，增加了電動(dòng)汽車的成本。另外，交流三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速性也較差。

2.3永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)

2.3.1永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的基本性能

永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)是一種高性能的電動(dòng)機(jī)。它的最大特點(diǎn)就是具有直流電動(dòng)機(jī)的外特性而沒有機(jī)械式換向器和電刷組成的機(jī)械接觸結(jié)構(gòu)，因此機(jī)械摩擦損耗低，效率高。加之，它采用永磁體轉(zhuǎn)子，沒有勵(lì)磁損耗，即發(fā)熱的電樞繞組裝在外面的定子上，散熱容易，因此，永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)沒有換向火花，沒有無線電干擾，壽命長(zhǎng)，運(yùn)行可靠，維修簡(jiǎn)便。此外，它的轉(zhuǎn)速不受機(jī)械換向的限制，如果采用空氣軸承或磁懸浮軸承，可以在每分鐘高達(dá)幾十萬轉(zhuǎn)運(yùn)行。永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)機(jī)系統(tǒng)相比具有更高的能量密度和更高的效率，在電動(dòng)汽車中有著很好的應(yīng)用前景。

2.3.2永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)

典型的永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)是一種準(zhǔn)解耦矢量控制系統(tǒng)，由于永磁體只能產(chǎn)生固定幅值磁場(chǎng)，因而永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)非常適合于運(yùn)行在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)域，一般采用電流滯環(huán)控制或電流反饋型SPWM法來完成。為進(jìn)一步擴(kuò)充轉(zhuǎn)速，永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)也可以采用弱磁控制。弱磁控制的實(shí)質(zhì)是使相電流相位角超前，提供直軸去磁磁勢(shì)來削弱定子繞組中的磁鏈。

2.3.3永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的不足

永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)受到永磁材料工藝的影響和限制，使得永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的功率范圍較小，最大功率僅幾十千瓦。永磁材料在受到振動(dòng)、高溫和過載電流作用時(shí)，其導(dǎo)磁性能可能會(huì)下降或發(fā)生退磁現(xiàn)象，將降低永磁電動(dòng)機(jī)的性能，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)損壞電動(dòng)機(jī)，在使用中必須嚴(yán)格控制，使其不發(fā)生過載。永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)在恒功率模式下，操縱復(fù)雜，需要一套復(fù)雜的控制系統(tǒng)，從而使得永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)造價(jià)很高。

2.4開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)

2.4.1開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的基本性能

開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)是一種新型電動(dòng)機(jī)，該系統(tǒng)具有很多明顯的特點(diǎn)：它的結(jié)構(gòu)比其它任何一種電動(dòng)機(jī)都要簡(jiǎn)單，在電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子上沒有滑環(huán)、繞組和永磁體等，只是在定子上有簡(jiǎn)單的集中繞組，繞組的端部較短，沒有相間跨接線，維護(hù)修理容易。因而可靠性好，轉(zhuǎn)速可達(dá)15000r/min。效率可達(dá)85%～93%呢，比交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)要高。損耗主要在定子，電機(jī)易于冷卻；轉(zhuǎn)子元永磁體，調(diào)速范圍寬，控制靈活，易于實(shí)現(xiàn)各種特殊要求的轉(zhuǎn)矩一速度特性，而且在很廣的范圍內(nèi)保持高效率。更加適合電動(dòng)汽車動(dòng)力性能要求。

2.4.2開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)

開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)具有高度的非線性特性，因此，它的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)較為復(fù)雜。它的控制系統(tǒng)包括功率變換器、控制器和位置傳感器。

a.功率變換器

開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁繞組，無論通過正向電流或反向電流，其轉(zhuǎn)矩方向不變，期換向，每相只需要一個(gè)容量較小的功率開關(guān)管，功率變換器電路較簡(jiǎn)單，不會(huì)出現(xiàn)直通故障，可靠性好，易于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的軟啟動(dòng)和四象限運(yùn)行，具有較強(qiáng)的再生制動(dòng)能力。成本比交流三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的逆變器控制系統(tǒng)要低。

b.控制器

控制器由微處理器、數(shù)字邏輯電路等元件組成。微處理器根據(jù)駕駛員輸入的命令，同時(shí)對(duì)位置檢測(cè)器、電流檢測(cè)器所反饋的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位置，進(jìn)行分析、處理，并在瞬間做出決策，發(fā)出一系列執(zhí)行命令，來控制開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)適應(yīng)電動(dòng)汽車不同條件下運(yùn)行?？刂破餍阅芎脡暮驼{(diào)節(jié)的靈活性，取決于微處理器的軟件和硬件的性能配合關(guān)系。

c.位置檢測(cè)器

開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)需要高精度的位置檢測(cè)器，來為控制系統(tǒng)提供電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的位置、轉(zhuǎn)速和電流的變化信號(hào)，并要求有較高的開關(guān)頻率以降低開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的噪聲。

2.4.3開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的不足

開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)比其他電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)復(fù)雜一些，位置檢測(cè)器是開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵器件，其性能對(duì)開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的控制操作有重要影響。由于開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)為雙凸極結(jié)構(gòu)，不可避免地存在轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，噪聲是開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)最主要的缺點(diǎn)。但近年來的研究表明，采用合理的設(shè)計(jì)、制造和控制技術(shù)，開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的噪聲完全可以得到良好的抑制。另外，由于開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩波動(dòng)較大，功率變換器的直流電流波動(dòng)也較大，所以在直流母線上需要裝置一個(gè)很大的濾波電容器。

三、電動(dòng)汽車采用的各種驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)性能比較

電動(dòng)汽車在不同的歷史時(shí)期采用了不同的電動(dòng)是采用了控制性能最好和成本較低的直流電動(dòng)機(jī)。隨著電機(jī)技術(shù)、機(jī)械制造技術(shù)、電力電子技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的不斷發(fā)展，交流電動(dòng)機(jī)，永磁元刷直流電動(dòng)機(jī)和開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)顯示出比直流電動(dòng)機(jī)更加優(yōu)越的性能，在電動(dòng)汽車上，這些電動(dòng)機(jī)逐步取代了直流電動(dòng)機(jī)。目前交動(dòng)機(jī)、永磁電動(dòng)機(jī)和開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)以及它們的控制裝置，成本還比較高，形成批量生產(chǎn)以后，這些電動(dòng)機(jī)和單元控制裝置的價(jià)格會(huì)迅速降低，將能夠滿足經(jīng)濟(jì)效益的要求，并使電動(dòng)汽車整車價(jià)格降低。