关于新能源汽车电动机性能的分析

作者：牛铭超

来源：《科学与财富》2018年第30期

摘要：驱动电机系统是电动汽车的关键技术之一。本文对电动汽车的几种典型驱动系统进行了定性分析，对它们的性能进行了比较，指出了它们各自的优缺点。

人类与环境共存和全球经济的可持续发展使人们迫切希望寻求到一种低排放和有效利用资源的交通工具，使用电动汽车无疑是一种很有希望的方案。

现代电动汽车是融合了电力、电子、机械控制、材料科学以及化工技术等多种高新技术的综合产品。整体的运行性能、经济性等首先取决于电池系统和电机驱动控制系统。

典型的电动汽车驱动系统，由电池供电给逆变器，通常会有一个变速箱来带动整个车辆。这个控制系统带有传感器，控制器现在都发展成数字化，电动机的变化不是很多。与工业应用相比，汽车应用是个不同的概念。工业应用空间不受限制，用标准封装模式来应用还是可行的，但是对于汽车应用来讲，空间是有限的，每一套系统都根据特定车型来订制，尤其混合动力汽车体现非常明显。在可靠性方面，工业应用可靠性很高，但是不管从哪方面讲，工业应用的等级还是不如汽车应用，因为他们的目的是不同的。在工业应用中，主要是保证应用效率的可靠性，但是在汽车应用中，电动机应用系统的可靠性涉及到乘车者的安全，所以可靠性要求非常高。冷却方式上工业应用是风冷，汽车应用是水冷。控制性能方面工业应用多为变频调速控制，其动态性能差，而汽车应用里，需要精确的力矩控制，动态性能好。

目前车用电驱系统的发展趋势主要有永磁化、数字化和集成化。

永磁磁阻电动机效率高，比功率较大，功率因数高。数字化是电驱驱动系统的核心。电动机系统集成有两种方式，一种是电动机跟发动机结合，一种是电动机跟变速箱结合。还有一种趋势是做电力电子的集成，现在驱动控制器产品中，国际最高水平是17.2kW。采用混合电力电子集成技术，核心是采用高功能集成模块，采用新型薄膜电容一体化的技术。

电动汽车的电机驱动系统一般由4个主要部分组成，即控制器、功率变换器、电动机及传感器。电驱动系统式电动汽车（EV）和混合电动汽车（HEV）的心脏。电动机将电能转化成机械能推动车辆，或反之将机械能转化为电能进行再生制动和对车载储能装置充电。目前电动汽车中使用的电动机一般有直流电动机、感应电动机、开关磁阻电动机以及永磁无刷电动机等。

一、电动汽车对电动机的基本要求

电动汽车的运行，与一般的工业应用不同，非常复杂。用于电动汽车的电动机通常要求频繁地起动和停车、高变化率的加速度/减速度、高转矩且低速爬坡、低转矩而高速行驶以及非常宽的运行速度范围。因此，对驱动系统的要求是很高，主要由以下特点：

1.1电动汽车用电动机应具有瞬时功率大，过载能力强、过载系数（应为3～4），加速性能好，使用寿命长的特点。

1.2电动汽车用电动机应具有宽广的调速范围，包括恒转矩区和恒功率区。在恒转矩区，要求低速运行时具有大转矩，以满足起动和爬坡的要求；在恒功率区，要求低转矩时具有高的速度，以满足汽车在平坦的路面能够高速行驶的要求。

1.3电动汽车用电动机应能够在汽车减速时实现再生制动，将能量回收并反馈回蓄电池，使得电动汽车具有最佳能量的利用率，这在内燃机汽车上是不能实现的。

1.4电动汽车用电动机应在整个运行范围内，具有高的效率，以提高1次充电的续驶里程。

另外还要求电动汽车用电动机可靠性好，能够在较恶劣的环境下长期工作，结构简单适应大批量生产，运行时噪声低，使用维修方便，价格便宜等。

二、电动汽车用电动机的种类和控制方法

2.1直流电动机

有刷直流电动机被广泛用于要求转速可调、调速性能好，以及频繁起动、制动和反转的场合。它的主要优点是控制简单、技术成熟，具有交流电机不可比拟的优良控制特性，已广泛用于不同的电力牵引应用系统中。在早期开发的电动汽车上多采用直流电动机，即使到现在，还有一些电动汽车上仍使用直流电动机来驱动。但由于存在电刷和机械换向器，不但限制了电机过载能力与速度的进一步提高，而且如果长时间运行，势必要经常维护和更换电刷和换向器。另外，由于损耗存在于转子上，使得散热困难，限制了电机转矩质量比的进一步提高。鉴于直流电动机存在以上缺陷，在新研制的电动汽车上已基本不采用直流电动机。

2.2交流三相感应电动机

2.2.1交流三相感应电动机的基本性能

交流三相感应电动机是应用得最广泛的电动机。其定子和转子采用硅钢片叠压而定子之间没有相互接触的滑环、换向器等部件。结构简单，运行可靠，经久耐用。交流感应电动机的功率覆盖面很宽广，转速达到12000～15000r/min。可采用空气冷却或液体冷却方式，冷却自由度高。对环境的适应性好，能够实现再生反馈制动。与同样功率的直流电动机相比较，效率较高，质量减轻一半左右，价格便宜，维修方便。

2.2.2交流感应电动机的控制系统

由于交流三相感应电动机不能直接使用蓄电池供给的直流电，另外交流三相感应电动机具有非线性输出特性。因此，在采用交流三相感应电动机的电动汽车上，需要应用逆变器中的功率半导体器件，将直流电变为频率和幅值都可以调节的交流电来实现对交流三相电动机的控制。主要有v/f控制法、转差频率控制法。

用矢量控制法，对交流三相感应电动机的励磁绕组交流电的频率和输入交流三相感应电动机的端调控制，控制交流三相感应电动机旋转磁场的磁通量和转矩，实现改变交流三相感应电动机转速和输出转矩，来满足负载变化特性的要求，并能够获得最高效率，从而使得交流三相感应电动机能够在电动汽车上得到广泛应用。

2.2.3交流三相感应电动机的不足

交流三相感应电动机的耗电量较大，转子容易发热，在高速运转时需要保证对交流三相感应电动机的冷却，否则会损坏电动机。交流三相感应电动机的功率因数较低，使得变频变压装置的输入功率因数也较低，因此需要采用大容量的变频变压装置。交流三相感应电动机的控制系统的造价远远高于交流三相感应电动机本身，增加了电动汽车的成本。另外，交流三相感应电动机的调速性也较差。

2.3永磁无刷直流电动机

2.3.1永磁无刷直流电动机的基本性能

永磁无刷直流电动机是一种高性能的电动机。它的最大特点就是具有直流电动机的外特性而没有机械式换向器和电刷组成的机械接触结构，因此机械摩擦损耗低，效率高。加之，它采用永磁体转子，没有励磁损耗，即发热的电枢绕组装在外面的定子上，散热容易，因此，永磁无刷直流电动机没有换向火花，没有无线电干扰，寿命长，运行可靠，维修简便。此外，它的转速不受机械换向的限制，如果采用空气轴承或磁悬浮轴承，可以在每分钟高达几十万转运行。永磁无刷直流电动机机系统相比具有更高的能量密度和更高的效率，在电动汽车中有着很好的应用前景。

2.3.2永磁无刷直流电动机的控制系统

典型的永磁无刷直流电动机是一种准解耦矢量控制系统，由于永磁体只能产生固定幅值磁场，因而永磁无刷直流电动机系统非常适合于运行在恒转矩区域，一般采用电流滞环控制或电流反馈型SPWM法来完成。为进一步扩充转速，永磁无刷直流电动机也可以采用弱磁控制。弱磁控制的实质是使相电流相位角超前，提供直轴去磁磁势来削弱定子绕组中的磁链。

2.3.3永磁无刷直流电动机的不足

永磁无刷直流电动机受到永磁材料工艺的影响和限制，使得永磁无刷直流电动机的功率范围较小，最大功率仅几十千瓦。永磁材料在受到振动、高温和过载电流作用时，其导磁性能可能会下降或发生退磁现象，将降低永磁电动机的性能，严重时还会损坏电动机，在使用中必须严格控制，使其不发生过载。永磁无刷直流电动机在恒功率模式下，操纵复杂，需要一套复杂的控制系统，从而使得永磁无刷直流电动机的驱动系统造价很高。

2.4开关磁阻电动机

2.4.1开关磁阻电动机的基本性能

开关磁阻电动机是一种新型电动机，该系统具有很多明显的特点：它的结构比其它任何一种电动机都要简单，在电动机的转子上没有滑环、绕组和永磁体等，只是在定子上有简单的集中绕组，绕组的端部较短，没有相间跨接线，维护修理容易。因而可靠性好，转速可达15000r/min。效率可达85%～93%呢，比交流感应电动机要高。损耗主要在定子，电机易于冷却；转子元永磁体，调速范围宽，控制灵活，易于实现各种特殊要求的转矩一速度特性，而且在很广的范围内保持高效率。更加适合电动汽车动力性能要求。

2.4.2开关磁阻电动机的控制系统

开关磁阻电动机具有高度的非线性特性，因此，它的驱动系统较为复杂。它的控制系统包括功率变换器、控制器和位置传感器。

a.功率变换器

开关磁阻电动机的励磁绕组，无论通过正向电流或反向电流，其转矩方向不变，期换向，每相只需要一个容量较小的功率开关管，功率变换器电路较简单，不会出现直通故障，可靠性好，易于实现系统的软启动和四象限运行，具有较强的再生制动能力。成本比交流三相感应电动机的逆变器控制系统要低。

b.控制器

控制器由微处理器、数字逻辑电路等元件组成。微处理器根据驾驶员输入的命令，同时对位置检测器、电流检测器所反馈的电动机转子位置，进行分析、处理，并在瞬间做出决策，发出一系列执行命令，来控制开关磁阻电动机适应电动汽车不同条件下运行。控制器性能好坏和调节的灵活性，取决于微处理器的软件和硬件的性能配合关系。

c.位置检测器

开关磁阻电动机需要高精度的位置检测器，来为控制系统提供电动机转子的位置、转速和电流的变化信号，并要求有较高的开关频率以降低开关磁阻电动机的噪声。

2.4.3开关磁阻电动机的不足

开关磁阻电动机的控制系统比其他电动机的控制系统复杂一些，位置检测器是开关磁阻电动机的关键器件，其性能对开关磁阻电动机的控制操作有重要影响。由于开关磁阻电动机为双凸极结构，不可避免地存在转矩波动，噪声是开关磁阻电动机最主要的缺点。但近年来的研究表明，采用合理的设计、制造和控制技术，开关磁阻电动机的噪声完全可以得到良好的抑制。另外，由于开关磁阻电动机输出转矩波动较大，功率变换器的直流电流波动也较大，所以在直流母线上需要装置一个很大的滤波电容器。

三、电动汽车采用的各种驱动电动机性能比较

电动汽车在不同的历史时期采用了不同的电动是采用了控制性能最好和成本较低的直流电动机。随着电机技术、机械制造技术、电力电子技术和自动控制技术的不断发展，交流电动机，永磁元刷直流电动机和开关磁阻电动机显示出比直流电动机更加优越的性能，在电动汽车上，这些电动机逐步取代了直流电动机。目前交动机、永磁电动机和开关磁阻电动机以及它们的控制装置，成本还比较高，形成批量生产以后，这些电动机和单元控制装置的价格会迅速降低，将能够满足经济效益的要求，并使电动汽车整车价格降低。