新能源電動汽車用電機簡述

2014-12-02 03:50:10任壽萱

汽車電器 2014年12期

任壽萱

（凱捷利集團蘇州高性能機電研究院，江蘇蘇州 215153）

新能源汽車電機驅動系統主要由電機、功率轉換器、控制器、各種檢測傳感器以及電源等部分構成。電機驅動系統既是新能源電動汽車的核心部件之一，也是關鍵系統之一，起到驅動車輛前進以及回收制動能量的作用，其驅動特性決定了汽車行駛的主要性能指標。在純電動汽車和燃料電池汽車中，作為惟一的驅動力來源，它提供車輛行駛全部的驅動力，相當于傳統汽車的發動機；由于系統能夠工作在回饋制動狀態，在車輛制動時，車輛的動能通過驅動系統的發電特性轉換為電能，存儲到車載電源系統中，具備了傳統發動機無法實現的能量回饋功能。在混合動力汽車的電機驅動系統中，其作用主要包括動力供應，平衡發動機功率和回饋能量3種，根據混合度的不同，其作用略有差別。

1 新能源電動汽車對電機的要求

電動汽車用驅動電機的性能好壞，將直接影響到電動汽車的頻繁起步、停車、加減速性能、高速行駛以及爬坡等重要技術性能。為滿足電動汽車的動力性、經濟性和排放性，新能源電動汽車對驅動電機有一些特殊的要求，在電機設計制造時必須予以充分考慮。

1）以電磁轉矩為控制目標，加速踏板和制動踏板的開度是電磁轉矩給定的目標值，要求電機轉矩響應迅速，轉矩波動小，穩定性好。

2）由于電動汽車行駛時，有起動、加速、巡航、減速和制動等多工況，要求驅動電機具有較寬的調速范圍，能在四象限內工作。為保證加速時間，要求電機在低速時具有大的輸出轉矩及過載能力（一般為額定轉矩2～4倍），過載時間達3 min以上；為保證電動汽車在巡航時達到最高轉速行駛，電機在高速行駛時具有高的功率，最高轉速一般為基速的2倍以上。

3）電機的損耗要低，在整個運行范圍內具有高效率，提高1次充電的續航里程。

4）電動汽車減速時能實現再生制動，將能量回收并反饋回蓄電池，能量回收率應占總能量的10%～15%。

5）電機的安全性應符合國家有關車輛電氣安全性能的標準規定，對高電壓的還需裝備高壓保護裝置。

6）可靠性高，電機的耐振、耐溫和耐濕性能力強，能在惡劣的氣候環境和各種道路上長時間工作。

7）電機運行噪聲低。

8）電磁兼容性好。

9）由于電動汽車留給電機的安裝空間有限，整車又要求輕量化，因此驅動電機整機的體積要盡可能小，質量盡可能輕。結構簡單，使用維護方便。在允許范圍內盡量采用高電壓。

10）價格合理，經濟性好，適合于批量生產。

2 新能源電動汽車驅動電機的種類

根據驅動電機的工作原理、結構的不同，新能源電動汽車驅動電機的分類如圖1所示。

電動汽車在早期采用的是直流電機，隨后逐步采用交流感應電機、永磁同步電機和開關磁阻電機。

2.1 直流電機

早期的電動汽車用驅動電機大多采用直流電機。直流電機能得到大量的應用，最主要的原因是因為它具有優良的轉矩特性、控制原理和控制裝置簡單、控制成本低、起動和加速轉矩大、調速性能好且比較方便等優點，但其致命的缺點是有電刷和機械換向器，限制了電機過載能力、速度、功率體積比、功率質量比和效率的進一步提高，換向時產生噪聲，換向器表面會產生電火花和電磁干擾，可靠性降低，需要定期維護，極大地影響了它的應用場合，現在某些電動汽車仍有采用。

與其他通用電機相比，在電動汽車用直流電機設計時，應使電機在耐高溫、抗振動、低損耗、抗負載波動、小型輕量化和免維護等方面，給予特殊的考慮。

根據勵磁繞組的不同，直流電機可分為他勵和自勵兩種。自勵又可分為串勵、并勵和復勵3種。自勵多應用于小功率直流電機，而他勵則多用于中大功率直流電機，早期的電動汽車用驅動直流電機以他勵居多。

直流電機的調速控制主要是通過改變電樞電壓，采用PWM斬波器和PI調節器來實現調速控制。不同類型的斬波器適用于不同的模式，單象限型適用于電動模式；二象限型適用于電動或再生制動模式；四象限型適用于通過電子控制的正向電動和反向制動模式。直流電機的電壓、轉速和轉矩特性曲線如圖2所示。

直流電機在新能源電動汽車上的應用實例如表1所示。

2.2 交流感應電機

交流感應電機又稱交流異步電機。隨著微電子、電力電子技術和自動化控制技術的快速發展，電動汽車上采用交流感應電機作為驅動電機日益增多，特別是國外對交流異步鑄銅轉子感應電機作為牽引電機的使用非常重視。與直流電機相比，其結構簡單堅固、質量輕、體積小、低成本、效率高、價格低廉。電機的定子輸入頻率可在較大范圍內變化，調速范圍寬，是電動汽車用驅動電機的理想選擇，尤其是對驅動系統功率需求較大的電動客車。但異步電機低速運行時，也存在著效率低、發熱嚴重、控制系統復雜等有待克服的技術問題。

交流感應電機有鼠籠轉子式和繞線轉子式。繞線轉子式可通過改變外電路參數來改善電機的運行性能，但其成本高、需要維護、耐久性不足，因而它沒有鼠籠轉子式應用那么廣泛，特別是在純電動汽車和混合動力汽車上。

電動汽車上使用的交流感應電機的額定電壓一般為380 V，電動轎車（包括其他類型的乘用車）功率為20～80kW，電動大客車（包括貨車）功率為100～150kW。

電動汽車采用交流感應電機時，應合理選定電機的容量，盡可能地避免出現 “大馬拉小車”的現象，盡量縮短電機空載運行的時間，需根據有關動力性能參數正確予以選擇。

目前，國內外高性能的電動汽車交流感應電機控制，主要是矢量控制和直接轉矩控制兩種控制方法。矢量控制方法已較成熟，應用普遍，直接轉矩控制方法則有待于進一步提高完善。矢量控制系統的三相交流感應電機的機械特性如圖3所示。

交流異步電機在新能源電動汽車上的應用實例如表2所示。

表2 交流異步電機應用實例

2.3 永磁同步電機

永磁同步電機具有高功率密度、高效率、易散熱、高可靠性和較好的動態性能等特點，是當前電動車輛驅動用電機的研究熱點。

永磁同步電機可分為交流永磁同步電機（PMSM）、直流無刷永磁電機（BLDCM）和新型永磁電機［混合式永磁電機（HSM）、續流增磁永磁電機］三大類，目前電動汽車主要采用的是前2類。

2.3.1 交流永磁同步電機（PMSM）

交流永磁同步電機是反電動勢波形和供電電流波形都是正弦波的交流永磁電機，又稱為正弦波永磁同步電機，采用定子磁場定向矢量控制及轉子連續位置反饋信號來控制調速或換向。

電機由定子和轉子組成，定轉子之間有氣隙，定子和普通交流電機相同，定子槽內嵌入三相繞組。轉子采用永磁體勵磁，根據永磁體在轉子上安放的位置不同，轉子可分為3種結構：①永磁體表面凸出式結構，電機的極性是隱極式；②永磁體表面嵌入式結構，電機的極性是凸極式（凸極度低）；③永磁體內置式結構，電機的極性是凸極式（凸極度高）。

永磁同步電機所用的永磁材料一般為釹鐵硼，由于釹鐵硼永磁材料具有很高的剩余磁感應強度、矯頑力和最大磁能積，故可大大地提高電機的功率質量比。采用釹鐵硼制成的永磁同步電機的體積較小，質量較輕，得到廣泛的應用。

永磁同步電機根據轉子對定子的相對位置不同，可分為3種：①外轉子式，將內定子固定在電機的中心，外轉子處在內定子外圓外，圍繞電機的中心作旋轉運動。②內轉子式，是將外定子固定在電機的中心，內轉子在定子內腔內，圍繞電機的中心作旋轉運動。外轉子式和內轉子式2種方式屬于圓柱式電機，氣隙是圓柱面的，氣隙磁場是徑向的，稱為徑向磁場電機，普通的永磁電機均屬此類。③盤式，與圓柱式電機不同，其定、轉子均為圓盤形，在電機中對等放置，氣隙是平面型的，氣隙磁場是軸向的，故又稱軸向磁場電機。其結構簡單緊湊，軸向尺寸短，有較高的功率和質量比。

以上3種結構的電機各有特點，但相比之下，現在電動汽車上采用較多的是內轉子式電機。

交流永磁同步電機無需勵磁電流，效率和功率因數高，體積小，結構簡單可靠；PMSM交流伺服系統具有頻帶寬、反應快、精度高、調速范圍寬等特點；功率驅動器靜止無噪音、運轉時無電火花。因此在低速直接驅動的場合，PMSM具有比交流感應電機及直流無刷永磁電機更優越的性能。

自20世紀80年代以來，隨著微電子、電力電子技術、永磁材料技術和交流可調速驅動技術的發展，交流永磁同步電機驅動系統技術有著長足的進步。90年代后，采用全數字控制的正弦波永磁交流驅動系統，技術上已趨于完全成熟，并實現了商品化。由于具有十分優良的低速性能，又可實現弱磁高速控制，拓寬了系統的調速范圍，進一步滿足了電動汽車高性能驅動的要求，隨著永磁材料技術及控制技術的飛速發展，又進一步提高了PMSM性價比，因此PMSM在電動汽車驅動系統上的應用會越來越廣泛。

永磁同步電機的機械特性如圖4所示。永磁同步電機在新能源電動汽車上的應用實例如表3所示。

表3 永磁同步電機應用實例

2.3.2 直流無刷永磁電機（BLDCM）

直流無刷永磁電機是在傳統直流電機基礎上發展起來的，其電磁結構和傳統直流電機一樣，是反電動勢波形和供電電流波形都是矩形波的直流永磁電機，又稱為矩形波永磁同步電機。

BLDCM電機定子采用集中繞組，內置PTC熱敏電阻進行熱保護，霍爾元件作為位置傳感器，在轉子中嵌入永磁體，通過轉子位置傳感器、控制電路和換向電路共同構成電子換向，代替電刷機械換向的作用，取消了電流的滑動接觸機構。電機相數可有三相、四相、五相甚至十幾相等，采用自然冷卻或外加風機對電機進行強迫通風冷卻。

當定子繞組為星形接法時，直流無刷永磁電機的控制器采用半橋電路或全橋電路；定子繞組為三角形接法時，只能采用全橋電路。電機的極數少時其效率高，極數多時則轉矩脈動小，但極數過多會導致結構復雜和控制功率開關管增加，成本相應變大，目前采用最多的是三相全橋星形兩兩通電的驅動控制方式。

基于直流無刷永磁電機其原理上存在的固有缺陷，如運轉時存在著轉矩脈動較大、鐵心附加損耗大等缺點，限制了它在高精度、高性能要求的驅動場合的應用，尤其是在低速直接驅動場合，因此適用于一般的精度及性能要求的場合。

但是BLDCM電機結構簡單，質量輕，維護方便，無轉子損耗，易實現高速和快速制動，高效率，動態響應性能好，控制簡單，機械特性較硬，具有和傳統直流電機一樣好的轉矩-轉速控制特性，能實現大范圍調速和定位控制，成本低，對于在運行在惡劣環境下的電動汽車而言，無疑特別地適用，因此其在電動汽車中的應用有日益擴大的趨勢。

直流無刷永磁電機的機械特性同圖4。直流無刷永磁電機在新能源電動汽車上的應用實例如表4所示。

表4 直流無刷永磁電機應用實例

2.3.3 新型永磁電機

1）混合式永磁電機（HSM）在電動汽車上采用混合式永磁電機，是電動汽車用驅動電機的一個新的研究方向，目前大量商業化應用尚未開始。混合式永磁電機從原理上說可以有很多種，但目前只有以下3種。

第1種是永磁和磁阻的混合，它有2種混合方式，一是將永磁體嵌入轉子回路中，永磁同步電機同時產生永磁轉矩和同步磁阻轉矩；二是把永磁體和開關磁阻結構結合起來，成為具有高效、高功率密度和寬調速范圍的雙凸極永磁電機（DSPM）。

第2種是把永磁體嵌入磁滯環內表面的槽中，綜合利用永磁轉矩和磁滯轉矩。這種磁滯混合電機具有起動轉矩高、運行平穩、噪音低等獨特的優點，很適用于電動汽車。

第3種是把永磁體置于轉子內，直流勵磁繞組安放在定子上，通過控制勵磁電流的大小和方向，很容易調節電機的氣隙磁通，達到滿足電動汽車要求的轉矩／轉速特性。

2）續流增磁永磁電機續流增磁永磁電機是一種復合勵磁的特殊直流電機，它兼顧了串勵直流電機和他勵直流電機的優點，采用稀土永磁和增磁繞組復合勵磁方式，轉子采用無槽結構，增磁繞組接在電機的續流回路中，利用續流回路內的電流進行增磁，和稀土永磁體共同產生復合磁場，產生全新的自動弱磁調速理念，很好地滿足電動汽車低速增磁增矩、高速弱磁增速的特性要求；雙象限范圍運行，實現電動汽車再生制動；采用PWM控制，運行時噪聲低，具有獨特的優越性。

2.4 開關磁阻電機（SRM）

開關磁阻電機又稱可變磁阻電機，1883年就用于機車牽引，到現代功率電子學和大功率計算設備的出現，它的潛能才得以充分的發揮。作為一種新型的特種電機，它是集電機技術、現代電力電子技術與計算機控制技術相結合的產物，近20年來備受重視。它綜合了感應電機和直流電機傳動系統的優點，有著無磁鋼、成本低、效率高、結構簡單堅固、容錯性好、低速輸出轉矩高等很多優良的特點，特別適合于電動汽車在各種工況下運行，為電動汽車行業所關注。

開關磁阻電機是電動汽車驅動系統用的驅動電機中極具競爭力的電機，是當前電動汽車驅動電機的又一個新的選擇，在混合動力汽車和純電動汽車中已得到成功的應用，具有良好的應用前景。國際上如奔馳、沃爾沃、菲亞特、通用等公司，正大力發展電動汽車用開關磁阻電機。

開關磁阻電機是基于 “磁阻最小”的原理設計的新型具有凸極結構的電機，其相數可以較多，但一般采用的是三相或四相。定子凸極和轉子凸極有多種組合方式，定子凸極和轉子凸極均為偶數，一般轉子凸極數比定子凸極數少2個，共同組成不同極數的開關磁阻電機。

開關磁阻電機的雙凸級結構，給電機運行帶來了轉矩脈動和噪聲，將直接影響電動汽車行駛和乘座舒適性，這2個問題以往成為了制約開關磁阻電機進入電動汽車行業應用領域的主要障礙。現在研發的低噪聲振動的開關磁阻電機，有效地抑制了運行過程中的轉矩脈動及噪聲，為開關磁阻電機在電動汽車驅動系統中的應用，起到了積極的推動作用。

開關磁阻電機由于無永磁體，解決了永磁同步電機和無刷直流永磁電機現存的技術問題，如永磁材料的高溫下的退磁失磁、成本增高、磁鋼的不均勻性造成磁極分布的不均勻而影響運行等問題。

開關磁阻電機具有設計合理、結構緊湊、無永磁體、制造容易、生產工藝簡單、成本低、免維護、控制簡單等特點，充分發揮了開關磁阻電機起動轉矩大、效率高、運行平穩以及安全可靠的特長。研究表明，通過對開關磁阻電機的靈活控制，能夠實現在寬調速范圍內電動或發電方式下高效率的運轉，將它用于混合動力汽車 ISG系統，具有良好的開發利用價值。

開關磁阻電機的控制可以分為電流斬波控制方式（CCC）、角度位置控制方式（APC）和電壓控制方式（VC）3種。開關磁阻電機的機械特性如圖5所示。開關磁阻電機在新能源電動汽車上的應用實例如表5所示。

表5 開關磁阻電機應用實例

2.5 新能源電動汽車用各種驅動電機的性能對比

以上所述的新能源電動汽車用各種類型的驅動電機，在選定時，應根據電動車輛的電機驅動系統的結構，電動汽車的總體設計目標，行駛性能要求，車輛技術性能指標要求，車載能源系統的性能，電機本身的性能特點，電機及其控制器成本等因素進行綜合考慮，然后正確選定。

一般而言，各種類型的電動汽車對其驅動電機的要求各不相同，必須針對主要應用特點，選擇最適合的驅動電機方案。例如，高檔轎車對電機體積質量要求高，同時要求低轉矩脈動和低噪聲，可優先選用永磁電機；跑車、概念車及越野車等對加速特性或過載能力要求高，希望有超高速運行能力，可優先選用開關磁阻電機；對于主要在市區較平坦路況行駛的經濟型大眾化私家車、郵政車、環保車或觀光車等車輛，對電機性能要求不是很高，但對低成本要求高，則可優先選用交流異步電機；對于采用 AMT（自動換檔）的車輛，要求電機轉速響應快，選用開關磁阻電機是最佳的選擇；對于要求較大功率驅動電機的大型車輛，出于成本和性能穩定性方面的考慮，顯然不應優先選用永磁電機。但是究竟采用那種電機為最好，有待于裝備各種類型驅動電機的電動汽車在道路上長期行駛，通過實踐考驗后方能作出，目前業界尚無定論。各種電動汽車用電機性能對比如表6所示。