淺談新能源汽車驅動電機

史智理，侯飛躍

淺談新能源汽車驅動電機

史智理，侯飛躍

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

驅動電機是新能源汽車的核心部件，汽車的最高車速、加速時間、爬坡能力等整車性能與驅動電機密不可分。文章以永磁同步電機為例闡述了驅動電機的基本特性、控制系統及基本構造等方面內容。

新能源汽車；驅動電機；電機控制器；永磁同步電機

引言

伴隨著地球環境污染的日益加劇和石油等傳統能源的逐漸匱乏，對于新能源汽車的研究已成為大勢所趨，在新能源汽車中主要包含燃氣汽車、燃料電池電動汽車、純電動汽車、氫能源汽車、太陽能汽車、混合動力汽車、增程式電動汽車等。電動汽車是新能源汽車的主要構成部分，以驅動電機為基礎，在電機控制器的控制下，電能被轉化為機械能，代替發動機來驅動車輛行駛，或者是以電動機作為主要的驅動裝置，并且把發動機作為輔助驅動，來達到具有一定環保性、經濟性的目的。驅動電機是其核心部件，下面將對驅動電機從基本特性、基本構造、控制系統等方面進行基本介紹。

1 驅動電機基本特性

驅動電機：被應用在電動汽車上，用來驅動車輪進行運動的電機。基本原理是通過電磁感應，實現機電能量轉換或傳遞。

為滿足汽車行駛時的舒適性、經濟性、動力性、續航里程及性價比等性能要求，車輛用電動機與工業用電動機有著顯著的區別，具體如下：

表1 車輛用電動機與工業用電動機區別

因此車用電機的基本特性如下：

（1）體積小，質量輕。功率轉矩密度大

轉矩密度、功率密度分別是指最大轉矩體積比和最大功率體積比。在滿足機械強度的基礎上，應盡可能采取鋁合金等輕量化材料，以減少自重；控制器等元件也應該盡可能集成，以減少體積。

（2）效率高，高效區域廣

單次充電后應有較高的行駛里程，且在整個行駛過程當中能適應較復雜路況及行駛方式，并且在較低負荷時也應具有較高的工作效率，即高效工作區域應該較寬廣。

（3）具有較大的起動轉矩以及較寬廣的調速范圍

為了適應車輛頻繁的起動、加速、勻速行駛、減速、負載、負載爬坡、超車、剎車等復合工況所需要的轉矩和功率，以減輕駕駛員的人工作業強度，提升駕駛作業的舒適性，并且達到與內燃機汽車具有同樣的控制響應性能，因此，電動機必須具備自動調速特性。

（4）高安全性

為了減小高壓部分的工作電流，減小電機和導線尺寸，降低逆變器的成本并提高能量轉換效率，在國標允許的安全范圍內，應該盡可能做到采用高壓電進行輸出，因此，驅動電機和電池的工作電壓相對較高。

（5）能量轉化

能夠將電能轉化成機械能，也可對機械能進行回收再利用，并將其轉化為電能。

2 驅動電機分類

圖1 驅動電機分類

目前常用的電機為無刷直流電動機、永磁同步電動機、鼠籠式異步電動機、開關磁阻電機。常見四種電機性能對比如表2所示。

綜合各項對比，目前交流感應電機和永磁同步電機在電動車上的應用較為廣泛。下面著重論述永磁同步電機。

3 永磁同步電機構造

由永磁體勵磁產生同步旋轉磁場的同步電機被稱為永磁同步電機。永磁體作為轉子部分來產生旋轉磁場，而三相定子繞組在旋轉磁場的作用下通過電樞反應，感應來產生三相對稱電流。將轉子的機械能（動能）轉化為電能，永磁同步電機被當做發電機（G）來使用；由于三相定子在空間位置上相差120，當在定子側輸入三相對稱電流時，三相定子電流會在空間中產生旋轉的磁場，轉子在旋轉的磁場中受到了電磁力作用產生運動，此時電能被轉化為動能，永磁同步電機可作電動機（M）使用。

表2 常見四種電機性能對比表

一般將定子、轉子、端蓋以及各傳感器等部件進行分裝，形成永磁同步電機。永磁同步電機的定子結構與一般普通的感應電機的結構極為相似，但永磁同步電機的轉子部分與其它電機有著極為明顯的差異——在轉子上有質量較為優良的永磁體磁極。根據永磁體在轉子上的安放位置的不同，永磁同步電機一般分為三大類：面貼式、內嵌式和插入式。

定子：定子主要由鐵心、線圈組成；定子鐵心由沖片疊壓而成；漆包線繞制成線圈，嵌入鐵心槽內，再進行絕緣處理；將絕緣處理后的鐵心套入機殼得到定子。

轉子：轉子由鐵心、磁鋼、軸壓裝而成。

圖2 永磁同步電機構造

磁鋼（NdFeB）：電機磁通由磁鋼提供，對電機性能影響最大；釹鐵硼磁體由粉末冶金法制成，是目前磁性能最高的磁性材料；優點是高抗退磁性、高性價比，其缺點是溫度依賴性比較強，耐腐蝕性能比較弱，需適當涂層或電鍍處理。

機座：由于電機功率大、體積小，因此發熱量大，為便于散熱，機座內含冷卻水道。常見水道形式如下：

（1）軸向水道（Z字型）

冷卻水道拐彎處180度的方向很容易造成較大的能量損失，需要提供較大的入口水壓。

（2）周向水道（螺旋管型）

為了使得電機的進出口端溫度產生溫度梯度，形成溫度差，一般會將冷卻水的進水口和出水口設計在電機的左右兩端。

圖3 機座冷卻水道形式

沖片：汽車電機的轉速范圍寬，由于定子鐵芯中磁通的變化率與電機的轉速成正比，鐵芯中磁場交變頻率較高，而單位損耗與頻率的1.3~1.5次方成比例。由于需保持高功率密度，鐵芯中的磁通密度相同，電機高速電機的單位鐵耗將劇増。為降低鐵耗需采用低損耗的鐵芯材料。

4 電機控制系統

電機驅動系統的主要特點及其功能介紹:

（1）作為電動汽車的三大核心部件之一，電機驅動系統是車輛行駛的主要執行機構，對車輛的主要性能指標起決定性作用，電機驅動系統直接影響車輛的舒適性、動力性和經濟性。

（2）采用三相交流永磁電動機(DM)、電機控制器(MCU)可調整輸出電流和電動機轉速，電機和電機控制器采用水冷方式防止溫度過高。

（3）整車控制器（VCU）要能夠根據駕駛員的意圖來發出各種操作指令，電機控制器完成響應并進行反饋，以便于實時調整驅動電機輸出，實現整車的各項驅動功能。

電機控制器（MCU）主要功能如下：

1）怠速行駛（蠕行）

2）控制電機正轉（前進）

3）控制電機反轉（倒車）

4）能量回收（交流轉換直流）

對驅動電機系統實時進行狀態和故障檢測并進行通信和保護以及故障反饋，是電機控制器的另一重要功能。

5 驅動電機發展趨勢

5.1 集成化

在電機方面：電機與發動機、變速器總成以及控制器等均可進行最大程度的集成。

在控制器方面：會推出越來越多的電力電子總成（控制器、功率器件、傳感器、電源等），這也是未來批量化、通用化、模塊化發展的趨勢所在。

5.2 永磁化

采用矢量控制的驅動控制系統以便實現更加寬廣的調速范圍。永磁電機具有轉矩密度和功率密度高、比功率較大、效率高、功率因數高、可靠性高和便于維護的優點。永磁化將成為電機發展的重要方向之一。

5.3 數字化

最大程度的使用軟件來代替硬件部分，實現通訊、診斷、保護、監控等功能，控制系統數字化是電機驅動技術發展的必然趨勢。

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Talking about New Energy Vehicle Drive Motor

Shi Zhili, Hou Feiyue

( Shaanxi Heavy Duty Automobile Co., Ltd., Shaanxi Xi'an 710200 )

Driving motor is the core component of new energy vehicle. The performance of the whole vehicle, such as maximum speed, acceleration time and climbing ability, is closely related to the driving motor. Taking permanent magnet synchronous motor as an example, this paper expounds the basic characteristics, control system and basic structure of the driving motor.

New energy vehicles; Drving motor; Electrical machine controller; Permanent magnet synchronous motor

TM3

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1671-7988(2019)24-19-03

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10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.24.007

史智理，就職于陜西重型汽車有限公司。