純電動(dòng)汽車(chē)學(xué)習(xí)入門(mén)(七)
——驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)(上)

◆文/北京 李玉茂

一、概述

1.對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的要求

(1)體積小、重量輕。采用鋁合金電機(jī)外殼，電機(jī)控制器和冷卻系統(tǒng)重量輕。

(2)電壓高。高電壓可以減小電機(jī)和導(dǎo)線(xiàn)的尺寸和重量，降低逆變器成本。

(3)轉(zhuǎn)矩特性?xún)?yōu)良。滿(mǎn)足汽車(chē)頻繁起步、停車(chē)、加速、減速、低速大轉(zhuǎn)矩爬坡、高速小轉(zhuǎn)矩恒定功率等行駛工況。

(4)調(diào)速范圍寬。寬的調(diào)速范圍能夠高速行駛，通常只設(shè)一級(jí)減速器或者不設(shè)減速器(例如特斯拉)。

(5)能量回收。減速和制動(dòng)時(shí)對(duì)電池回饋能量，增加電動(dòng)汽車(chē)的行駛里程。

(6)安全性高。電氣安全性高、耐高溫、耐潮濕、低噪聲、低故障率。

2.驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)類(lèi)型

集中驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)也稱(chēng)集成集中驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，如圖1所示，包括電機(jī)、減速器和差速器，有些車(chē)型還集成電機(jī)控制器。電動(dòng)乘用車(chē)一般將集中驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)安裝在前機(jī)艙，電動(dòng)大客車(chē)、貨車(chē)將集中驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)安裝在后橋。

分布驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與集中驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相比，具有結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量小、機(jī)件簡(jiǎn)化、傳動(dòng)效率高等優(yōu)點(diǎn)，從而提高電動(dòng)車(chē)的動(dòng)力性，增加續(xù)駛里程。該系統(tǒng)省去差速器、半軸，驅(qū)動(dòng)橋的每側(cè)電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)每側(cè)車(chē)輪，在車(chē)輛曲線(xiàn)行駛時(shí)兩側(cè)電機(jī)以不同轉(zhuǎn)速工作。四輪驅(qū)動(dòng)車(chē)輛每個(gè)車(chē)輪安裝一個(gè)電機(jī)，但是對(duì)4個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速要求控制精度高。該系統(tǒng)盡量降低電機(jī)質(zhì)量，輪下質(zhì)量降低可以獲得良好的乘坐舒適性。分布驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有輪邊電機(jī)、輪轂電機(jī)兩種類(lèi)型。

①輪邊電機(jī)，又分為兩種型式，一種是電機(jī)軸線(xiàn)與車(chē)輪軸線(xiàn)不重合，兩個(gè)軸線(xiàn)之間是減速齒輪；另一種是電機(jī)軸線(xiàn)與車(chē)輪軸線(xiàn)重合，采用行星齒輪減速機(jī)構(gòu)。

②輪轂電機(jī)，將電機(jī)集成在輪轂上，電機(jī)軸線(xiàn)與車(chē)輪軸線(xiàn)重合，采用內(nèi)轉(zhuǎn)子的帶有減速機(jī)構(gòu)，采用外轉(zhuǎn)子的不帶有減速機(jī)構(gòu)。輪轂電機(jī)可以改善電機(jī)與獨(dú)立懸架在有限空間內(nèi)的布置困難問(wèn)題，與輪邊電機(jī)相比可降低空氣阻力、提高通過(guò)性。

3.驅(qū)動(dòng)電機(jī)類(lèi)型

直流電機(jī)又分為他勵(lì)式直流電機(jī)、并勵(lì)式直流電機(jī)、串勵(lì)式直流電機(jī)、復(fù)勵(lì)式直流電機(jī)。優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、技術(shù)成熟、控制容易，主要用于電動(dòng)自行車(chē)、老年代步車(chē)、電動(dòng)叉車(chē)、低速電動(dòng)車(chē)等。缺點(diǎn)是耗電高、效率低，不適合電動(dòng)汽車(chē)。

永磁同步電機(jī)又分為交流永磁同步電機(jī)和直流永磁同步電機(jī)，電動(dòng)汽車(chē)采用交流永磁同步電機(jī)。該電機(jī)采用永磁體勵(lì)磁，不采用線(xiàn)圈勵(lì)磁，優(yōu)點(diǎn)是效率高、控制精度高、轉(zhuǎn)矩大和平穩(wěn)、低噪聲。

交流永磁同步電機(jī)主要由鋁合金外殼、定子組件(硅鋼片鐵芯、三相線(xiàn)圈，通入三相交流電后產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng))、轉(zhuǎn)子組件(轉(zhuǎn)子軸、硅鋼片鐵芯、永久磁鐵)、前端蓋、后端蓋、溫度傳感器、旋變傳感器、接線(xiàn)盒、安裝支架等組成。

轉(zhuǎn)子是勵(lì)磁組件，又分為兩種：①嵌入式永磁鐵芯，在轉(zhuǎn)子的硅鋼片中鑲嵌永久磁鐵，硅鋼片用來(lái)固定磁鐵并具有良好導(dǎo)磁性，沒(méi)有剩磁、電阻大；硅鋼片一片片疊集，使得內(nèi)部環(huán)形電流小、產(chǎn)生的熱量低；②凸裝式永磁鐵芯，磁鐵高于硅鋼片，磁鐵兩側(cè)沒(méi)有支撐，在圓周方向固定作用差。

交流異步電機(jī)又稱(chēng)作交流感應(yīng)電機(jī)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速低于定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速，所以稱(chēng)為異步。優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造成本低、整體堅(jiān)固、維修方便，當(dāng)逆變器損壞時(shí)電機(jī)不會(huì)產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)而出現(xiàn)汽車(chē)緊急制動(dòng)；缺點(diǎn)是重量大、體積大。特斯拉電動(dòng)汽車(chē)采用交流異步電機(jī)，該車(chē)以高能量密度的18650電池彌補(bǔ)電機(jī)重量大的缺點(diǎn)。

交流異步電機(jī)主要由鋁合金外殼、定子組件(硅鋼片鐵芯、三相線(xiàn)圈，通入三相交流電后產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng))、轉(zhuǎn)子組件(轉(zhuǎn)子軸、硅鋼片鐵芯、鋁條或銅條制成的鼠籠)、前端蓋、后端蓋等組成。

開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)是高性能一體化系統(tǒng)，優(yōu)點(diǎn)是調(diào)速范圍寬、制造維護(hù)方便；缺點(diǎn)是設(shè)計(jì)和控制復(fù)雜、噪聲大，目前采用較少。

開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)主要由開(kāi)關(guān)勵(lì)磁電機(jī)、功率轉(zhuǎn)換器、傳感器、控制器組成，控制器按順序給勵(lì)磁線(xiàn)圈通電，有點(diǎn)像步進(jìn)電機(jī)，不同的是磁力線(xiàn)經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)子凸極鐵芯(因?yàn)殍F芯磁阻小)走最短的路徑。

4.驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作條件

①輸入電機(jī)控制器的高壓電正常；

②電機(jī)控制器正常；

③電機(jī)控制器與VCU的CAN通信正常；

④旋變傳感器信號(hào)正常；

⑤電機(jī)溫度傳感器信號(hào)正常。

二、驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)

1.驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)組成

驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電機(jī)控制器、冷卻系統(tǒng)組成，如圖2所示。

電機(jī)控制器與電機(jī)集成，可省去兩者之間的三相高壓交流線(xiàn)束。電機(jī)控制器與高壓盒、充電機(jī)、DC-DC集成稱(chēng)作PEU，可省去相互間的高壓直流線(xiàn)束。電機(jī)與減速器、差速器集成，稱(chēng)作驅(qū)動(dòng)總成。

VCU(整車(chē)控制單元)根據(jù)加速踏板位置傳感器、制動(dòng)踏板位置傳感器、擋位傳感器等信號(hào)，通過(guò)CAN總線(xiàn)向電機(jī)控制器發(fā)送命令，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，以實(shí)現(xiàn)爬行、加速、勻速、減速、能量回收、停車(chē)等。

電機(jī)控制器對(duì)IGBT溫度、電機(jī)溫度、轉(zhuǎn)子位置實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，將信息發(fā)給VCU，進(jìn)而控制水泵電機(jī)和散熱器風(fēng)扇電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。

冷卻系統(tǒng)由電動(dòng)水泵(12V)、水管、膨脹水壺、散熱器、散熱器風(fēng)扇、電機(jī)控制器中的水管、驅(qū)動(dòng)電機(jī)中的水套、冷卻液、溫度傳感器組成，正常冷卻液工作溫度是30～55℃。

2.驅(qū)動(dòng)電機(jī)結(jié)構(gòu)

某型號(hào)驅(qū)動(dòng)電機(jī)技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1，外觀如圖3所示，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示，主要零件如圖5所示。

3.溫度傳感器

電機(jī)控制器采集電機(jī)自身運(yùn)行狀態(tài)的信息，包括電機(jī)溫度傳感器信號(hào)和旋轉(zhuǎn)變壓器信號(hào)，兩者均安裝在電機(jī)內(nèi)部。溫度傳感器如圖6所示，作用是檢測(cè)電機(jī)定子繞組的溫度，作為水泵和散熱器風(fēng)扇的控制信號(hào)，避免電機(jī)過(guò)熱。

溫度傳感器一般采用正溫度系數(shù)熱敏電阻，該電阻的特點(diǎn)是響應(yīng)更快和較小的維持電流。某車(chē)型電機(jī)溫度傳感器0℃電阻值100Ω，40℃電阻值420Ω，60℃電阻值20kΩ。早期車(chē)輛的電機(jī)只有一個(gè)溫度傳感器，后期車(chē)輛的電機(jī)最少在兩個(gè)位置裝有兩個(gè)溫度傳感器，測(cè)量繞組和定子鐵芯溫度，避免繞組因溫度過(guò)高而絕緣損壞，避免永久磁鐵因溫度過(guò)高而退磁。

4.旋轉(zhuǎn)變壓器

旋轉(zhuǎn)變壓器簡(jiǎn)稱(chēng)旋變，是一種電磁式傳感器，又稱(chēng)同步分解器，功用是測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)子位置，經(jīng)控制單元解碼后可以獲知電機(jī)轉(zhuǎn)速。旋變具有很高的可靠性和足夠高的精度，是交流永磁同步電機(jī)的首選，而一些電動(dòng)代步車(chē)采用霍爾式傳感器。

普通變壓器的一次繞組、二次繞組相對(duì)固定，變壓比是常數(shù)；而旋變傳感器的一次繞組固定，二次繞組旋轉(zhuǎn)，變壓比不是常數(shù)。如圖7所示，一次繞組稱(chēng)勵(lì)磁繞組，輸入固定頻率的正弦交流信號(hào)；二次繞組有兩個(gè)，分別是正弦繞組和余弦繞組，分別與輸入電壓的相位角度成正弦關(guān)系、余弦關(guān)系。正弦繞組輸出的正弦信號(hào)、余弦繞組輸出的余弦信號(hào)的幅值不斷變化，但是與一次繞組輸入的正弦信號(hào)頻率一致。

旋變傳感器安裝在電機(jī)后端蓋上，如圖8所示，由外殼、定子(線(xiàn)圈)、轉(zhuǎn)子(信號(hào)齒圈)、插座組成，繞在定子上的二次繞組實(shí)際并不作機(jī)械旋轉(zhuǎn)。信號(hào)齒圈是導(dǎo)磁體，有5個(gè)磁極，隨電機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)。勵(lì)磁繞組通入固定頻率的正弦交流電后產(chǎn)生磁場(chǎng)，信號(hào)齒圈旋轉(zhuǎn)，使得磁場(chǎng)沿圓周旋轉(zhuǎn)，正弦繞組、余弦繞組感應(yīng)出幅值變化的正弦信號(hào)、余弦信號(hào)，電機(jī)控制器利用這兩個(gè)信號(hào)感知電機(jī)轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速。

旋變插頭有6個(gè)端子，分別是：勵(lì)磁繞組R1、勵(lì)磁繞組R2；正弦繞組S2、正弦繞組S4；余弦繞組S1、余弦繞組S3。某車(chē)型正弦繞組、余弦繞組的阻值為60±10Ω，勵(lì)磁繞組的阻值為30±10Ω。

三、電機(jī)控制器

1.功能

(1)控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)，電機(jī)正轉(zhuǎn)車(chē)輛前進(jìn)，電機(jī)反轉(zhuǎn)車(chē)輛倒車(chē)。

(2)控制速度，按照駕駛員指令執(zhí)行加速、勻速、減速等。

(3)控制爬行，掛D擋或R擋，抬開(kāi)制動(dòng)踏板，不踩加速踏板，車(chē)輛緩緩行駛。

(4)能量回收，也稱(chēng)動(dòng)能回饋，此時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電機(jī)。

(5)通信功能，通過(guò)CAN總線(xiàn)與其他控制單元和網(wǎng)關(guān)通信。

(6)故障診斷，當(dāng)自診斷異常時(shí)存儲(chǔ)故障碼，同時(shí)發(fā)送給VCU。

(7)保護(hù)功能，保護(hù)電機(jī)控制器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、動(dòng)力電池不超過(guò)工作溫度極限。

2.組成

某型號(hào)電機(jī)控制器技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表2，外觀如圖9所示，上層元器件如圖10所示，下層元器件如圖11所示，電機(jī)控制器主要組件如圖12所示。電機(jī)控制器分為低壓、高壓兩部分，低壓部分包括輸入/輸出接口電路、控制主板、運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、傳感器等；高壓部分包括IGBT模塊、驅(qū)動(dòng)主板、超級(jí)電容、放電電阻、直流高壓插接器、UVW插接器等。電機(jī)控制器殼體內(nèi)有水道，殼體外有進(jìn)、出水管接頭。散熱器下方的出水管連接水泵，水泵將冷卻液送入電機(jī)控制器，冷卻IGBT元件，然后流入電機(jī)，再流回散熱器上方的回水管。

(未完待續(xù))