我國(guó)車用電機(jī)在全球資源條件下具有明顯的比較優(yōu)勢(shì)，發(fā)展?jié)摿^大。從新能源汽車的產(chǎn)業(yè)鏈來(lái)看，受益端將主要集中在核心零部件領(lǐng)域。國(guó)內(nèi)車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)行業(yè)現(xiàn)狀：電機(jī)業(yè)中的小行業(yè)、但制造門(mén)檻高，電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)還存在較多差距與不足，但國(guó)內(nèi)政策扶持將加快產(chǎn)業(yè)步伐。

作為新能源汽車的核心部件(電池、電機(jī)、電控)之一，圖1，驅(qū)動(dòng)電機(jī)及其控制系統(tǒng)未來(lái)發(fā)展前景可觀。

驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

新能源汽車具有環(huán)保、節(jié)約、簡(jiǎn)單三大優(yōu)勢(shì)。在純電動(dòng)汽車上體現(xiàn)尤為明顯：以電動(dòng)機(jī)代替燃油機(jī)，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)而無(wú)需自動(dòng)變速箱。相對(duì)于自動(dòng)變速箱，電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、技術(shù)成熟、運(yùn)行可靠。

傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)能高效產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩時(shí)的轉(zhuǎn)速限制在一個(gè)窄的范圍內(nèi)，這就是為何傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車需要龐大而復(fù)雜的變速機(jī)構(gòu)的原因；而電動(dòng)機(jī)可以在相當(dāng)寬廣的速度范圍內(nèi)高效產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，在純電動(dòng)車行駛過(guò)程中不需要換擋變速裝置，操縱方便容易，噪音低。

與混合動(dòng)力汽車相比，純電動(dòng)車使用單一電能源，電控系統(tǒng)大大減少了汽車內(nèi)部機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)化，也降低了機(jī)械部件摩擦導(dǎo)致的能量損耗及噪音，節(jié)省了汽車內(nèi)部空間、重量。電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)是新能源汽車車輛行使中的主要執(zhí)行結(jié)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)及其控制系統(tǒng)是新能源汽車的核心部件(電池、電機(jī)、電控)之一，其驅(qū)動(dòng)特性決定了汽車行駛的主要性能指標(biāo)，它是電動(dòng)汽車的重要部件。

電動(dòng)汽車中的燃料電池汽車FCV、混合動(dòng)力汽車HEV和純電動(dòng)汽車EV三大類都要用電動(dòng)機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)車輪行駛，選擇合適的電動(dòng)機(jī)是提高各類電動(dòng)汽車性價(jià)比的重要因素，因此研發(fā)或完善能同時(shí)滿足車輛行駛過(guò)程中的各項(xiàng)性能要求，并具有堅(jiān)固耐用、造價(jià)低、效能高等特點(diǎn)的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)方式顯得極其重要。

驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)是新能源車三大核心部件之一。電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)是新能源汽車車輛行使中的主要執(zhí)行結(jié)構(gòu)，其驅(qū)動(dòng)特性決定了汽車行駛的主要性能指標(biāo)，它是電動(dòng)汽車的重要部件。電動(dòng)汽車的整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與其機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)兩個(gè)部分。電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要由電動(dòng)機(jī)、功率轉(zhuǎn)換器、控制器、各種檢測(cè)傳感器以及電源等部分構(gòu)成，結(jié)構(gòu)如下圖2所示。

電動(dòng)機(jī)一般要求具有電動(dòng)、發(fā)電兩項(xiàng)功能，按類型可選用直流、交流、永磁無(wú)刷或開(kāi)關(guān)磁阻等幾種電動(dòng)機(jī)，如圖3。功率轉(zhuǎn)換器按所選電機(jī)類型，有DC/DC功率變換器、DC/AC功率變換器等形式，其作用是按所選電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電流要求，將蓄電池的直流電轉(zhuǎn)換為相應(yīng)電壓等級(jí)的直流、交流或脈沖電源。

電機(jī)是應(yīng)用電磁感應(yīng)原理運(yùn)行的旋轉(zhuǎn)電磁機(jī)械，用于實(shí)現(xiàn)電能向機(jī)械能的轉(zhuǎn)換。運(yùn)行時(shí)從電系統(tǒng)吸收電功率，向機(jī)械系統(tǒng)輸出機(jī)械功率。電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要由電機(jī)、控制器(逆變器)構(gòu)成，驅(qū)動(dòng)電機(jī)和電機(jī)控制器所占的成本之比約為1:1，根據(jù)設(shè)計(jì)原理與分類方式的不同，電機(jī)的具體構(gòu)造與成本構(gòu)成也有所差異。電機(jī)的控制系統(tǒng)主要起到調(diào)節(jié)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，使其滿足整車不同運(yùn)行要求的目的。針對(duì)不同類型的電機(jī)，控制系統(tǒng)的原理與方式有很大差別。

圖2 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的基本組成框圖

圖3 電機(jī)的分類(按原理)

電動(dòng)汽車對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的基本要求

比較四種常用電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的應(yīng)用以及優(yōu)缺點(diǎn)等。

1.電動(dòng)汽車電機(jī)的基本要求有以下幾點(diǎn)：

(1)電機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊、尺寸小，封裝尺寸有限，必須根據(jù)具體產(chǎn)品進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)。

(2)重量輕，以減輕車輛的整體重量。應(yīng)盡量采用鋁合金外殼，同時(shí)轉(zhuǎn)速要高，以減輕整車的質(zhì)量，增加電機(jī)與車體的適配性，擴(kuò)大車體可利用空間，從而提高乘坐的舒適性。

(3)可靠性高、失效模式可控，以保證乘車者的安全。

(4)提供精確的力矩控制，動(dòng)態(tài)性能較好。

(5)效率高，功率密度較高。要保證在較寬的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)都有很高的效率，以降低功率損耗，提高一次充電的續(xù)駛里程。

(6)成本低，以降低車輛生產(chǎn)的整體費(fèi)用。

(7)調(diào)速范圍寬。應(yīng)包括恒轉(zhuǎn)矩區(qū)和恒功率區(qū)，低速運(yùn)行輸出的恒定轉(zhuǎn)矩大，以滿足汽車快速啟動(dòng)、加速、負(fù)荷爬坡等要求；高速運(yùn)行輸出恒定功率，有較大的調(diào)速范圍，以滿足平坦的路面、超車等高速行駛的要求。

(8)瞬時(shí)功率大，過(guò)載能力強(qiáng)。要保證汽車具有4~5倍的過(guò)載能力，以滿足短時(shí)內(nèi)加速行駛與最大爬坡的要求。

(9)環(huán)境適應(yīng)性好。要適應(yīng)汽車本身行駛的不同區(qū)域環(huán)境，即使在較惡劣的環(huán)境中也能夠正常工作，具有良好的耐高溫、耐潮濕性能。

(10)制動(dòng)再生效率高。在汽車減速時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)反饋制動(dòng)，將能量回收并反饋回電池，使得電動(dòng)汽車具有最佳能量利用率。

(11)其他。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，適合大批量生產(chǎn)，運(yùn)行時(shí)噪聲低，使用維修方便。

(12)與一般工業(yè)用電機(jī)不同，用于汽車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)應(yīng)具有調(diào)速范圍寬、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、后備功率高、效率高的特性，此外，還要求可靠性高、耐高溫及耐潮、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、維護(hù)簡(jiǎn)單、適合大規(guī)模生產(chǎn)等。未來(lái)我國(guó)電動(dòng)汽車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)將朝著永磁化、數(shù)字化和集成化方向發(fā)展。

2、異步電動(dòng)機(jī)(感應(yīng)電動(dòng)機(jī))在新能源汽車中的應(yīng)用

(1)異步電動(dòng)機(jī)介紹

感應(yīng)電動(dòng)機(jī)又稱“異步電動(dòng)機(jī)”，即轉(zhuǎn)子置于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)中，在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的作用下，獲得一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，因而轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)子是可轉(zhuǎn)動(dòng)的導(dǎo)體，通常多呈鼠籠狀。定子是電動(dòng)機(jī)中不轉(zhuǎn)動(dòng)的部分，主要任務(wù)是產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)并不是用機(jī)械方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。而是以交流電通于數(shù)對(duì)電磁鐵中，使其磁極性質(zhì)循環(huán)改變，故相當(dāng)于一個(gè)旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)。這種電動(dòng)機(jī)并不像直流電動(dòng)機(jī)有電刷或集電環(huán)，依據(jù)所用交流電的種類有單相電動(dòng)機(jī)和三相電動(dòng)機(jī)。

(2)異步電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)

異步電動(dòng)機(jī)有下面的優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)緊湊、堅(jiān)固耐用；運(yùn)行可靠、維護(hù)方便；價(jià)格低廉，體積小、質(zhì)量輕；環(huán)境適應(yīng)性好；轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)低，噪聲低。交流異步電動(dòng)機(jī)成本低而且可靠性高，逆變器即便損壞而產(chǎn)生短路時(shí)也不會(huì)產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)，所以不會(huì)出現(xiàn)急剎車的可能性。

因此，廣泛應(yīng)用于大型高速的電動(dòng)汽車中。三相籠型異步電動(dòng)機(jī)的功率容量覆蓋面很廣，從零點(diǎn)幾瓦到幾千瓦。它可以采用空氣冷卻或液體冷卻方式，冷卻自由度高、對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性好，并且能夠?qū)崿F(xiàn)再生制動(dòng)。與同樣功率的直流電動(dòng)機(jī)相比較，效率較高、重量約要輕一半左右。

同時(shí)它有下面的缺點(diǎn)：功率因數(shù)低，運(yùn)行時(shí)必須從電網(wǎng)吸收無(wú)功電流來(lái)建立磁場(chǎng)；控制復(fù)雜，易受電機(jī)參數(shù)及負(fù)載變化的影響；轉(zhuǎn)子不易散熱；調(diào)速性能差，調(diào)速范圍窄。

優(yōu)勢(shì)分析：新能源汽車專用的電動(dòng)機(jī)，通過(guò)從電池中獲取有限的能量產(chǎn)生動(dòng)作，所以要求其在各種環(huán)境下的效率都要很好。因而，在性能上要求比一般工業(yè)用的電動(dòng)機(jī)更加嚴(yán)格。適合作為電動(dòng)汽車專用的電機(jī)需要滿足幾個(gè)特性：由高速化而生的小型輕量化(堅(jiān)固性)、高效性(一次充電后的續(xù)駛里程長(zhǎng))、低速大轉(zhuǎn)矩情況下的大范圍內(nèi)的恒定輸出特性、壽命長(zhǎng)以及高可靠性、低噪聲性和成本低廉。但是現(xiàn)實(shí)中全部滿足以上幾個(gè)特性的電機(jī)還未被開(kāi)發(fā)出來(lái)。目前更適于新能源汽車的電機(jī)是交流異步電機(jī)和PM電動(dòng)機(jī)。

(3)異步電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)

由于交流三相感應(yīng)電機(jī)不能直接使用直流電，因此需要逆變裝置進(jìn)行轉(zhuǎn)換控制。新能源汽車減速或制動(dòng)時(shí)，電機(jī)處在發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)，給蓄電池充電，實(shí)現(xiàn)機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。在新能源汽車上，由功率半導(dǎo)體器件構(gòu)成的PWM功率逆變器把蓄電池電源提供的直流電變換為頻率和幅值都可以調(diào)節(jié)的交流電。

三相異步電動(dòng)機(jī)逆變器的控制方法主要有V/f恒定控制法、轉(zhuǎn)差率控制法、矢量控制法和直接轉(zhuǎn)矩控制法(DTC)。20世紀(jì)90年代以前主要使用前兩種控制方式，但是因轉(zhuǎn)速控制范圍小，轉(zhuǎn)矩特性不理想，而對(duì)于需頻繁起動(dòng)、加減速的電動(dòng)車并不適合。現(xiàn)在，后兩種控制方式目前處于主流的地位。

(4)異步電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用現(xiàn)狀

在美國(guó)，異步電動(dòng)機(jī)應(yīng)用的較多，這也被人為是和路況有關(guān)。在美國(guó)，高速公路已經(jīng)具有一定的規(guī)模，除了大城市外，汽車一般以一定的高速持續(xù)行駛，所以能夠?qū)崿F(xiàn)高速運(yùn)轉(zhuǎn)而且在高速時(shí)有較高效率的異步電動(dòng)機(jī)得到廣泛應(yīng)用。在我國(guó)，隨著高速公路規(guī)模的發(fā)展，交流異步電動(dòng)機(jī)在新能源汽車上的應(yīng)用也會(huì)越來(lái)越重要。

3、永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī)在新能源汽車中的應(yīng)用

隨著近些年來(lái)電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、微型計(jì)算機(jī)技術(shù)、稀土永磁材料、傳感器技術(shù)與電機(jī)控制理論的快速發(fā)展，使得交流驅(qū)動(dòng)技術(shù)逐漸成熟。

相比于現(xiàn)有串勵(lì)或者并勵(lì)有刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，永磁無(wú)刷電機(jī)擁有功率密度大、體積小、效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單牢固、易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，且采用永磁無(wú)刷電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件的電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行和維護(hù)成本較低；采用全數(shù)字化和模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使得驅(qū)動(dòng)器接口靈活，控制能力更強(qiáng)，操作更加舒適；應(yīng)用能量回饋制動(dòng)技術(shù)，可以減少剎車片的磨損，同時(shí)又增加汽車?yán)m(xù)駛里程。

因此，基于電動(dòng)汽車市場(chǎng)發(fā)展需要和技術(shù)現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)可靠、低成本、性能優(yōu)良的全數(shù)字化電動(dòng)汽車永磁無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，對(duì)于電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

(1)永磁同步電動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)介

在電機(jī)內(nèi)建立進(jìn)行機(jī)電能量轉(zhuǎn)換所必需的氣隙磁場(chǎng)有兩種方法。一種是在電機(jī)繞組內(nèi)通電流產(chǎn)生磁場(chǎng)，這種方法既需要有專門(mén)的繞組和相應(yīng)的裝置，又需要不斷供給能量以維持電流流動(dòng)，例如普通的直流電機(jī)和同步電機(jī)。另一種是由永磁體來(lái)產(chǎn)生磁場(chǎng)，這種方法既可簡(jiǎn)化電機(jī)結(jié)構(gòu)，又可節(jié)約能量。由永磁體產(chǎn)生磁場(chǎng)的電機(jī)就是永磁電機(jī)。

它利用永磁體建立勵(lì)磁磁場(chǎng)的同步電動(dòng)機(jī)，其定子產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子用永磁材料制成。同步發(fā)電機(jī)為了實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換，需要有一個(gè)直流磁場(chǎng)而產(chǎn)生這個(gè)磁場(chǎng)的直流電流，稱為發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流。根據(jù)勵(lì)磁電流的供給方式，凡是從其它電源獲得勵(lì)磁電流的發(fā)電機(jī)，稱為他勵(lì)發(fā)電機(jī)，從發(fā)電機(jī)本身獲得勵(lì)磁電源的，則稱為自勵(lì)發(fā)電機(jī)。

(2)永磁同步電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)

永磁同步電動(dòng)機(jī)有以下優(yōu)點(diǎn)：功率因數(shù)大，效率高，功率密度大；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于維護(hù)，使用壽命較長(zhǎng)、可靠性高；調(diào)速性能好，精度高；具有良好的瞬時(shí)特性，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量低，響應(yīng)速度快；頻率高，輸出轉(zhuǎn)矩大，極限轉(zhuǎn)速和制動(dòng)性能優(yōu)于其他類型的電機(jī)；采用電子功率器件作為換向裝置，驅(qū)動(dòng)靈活，可控性強(qiáng)；形狀和尺寸靈活多樣，便于進(jìn)行外形設(shè)計(jì)；采用稀土永磁材料后電機(jī)的體積小、質(zhì)量輕。

但是永磁同步電動(dòng)機(jī)也有以下缺點(diǎn)：電機(jī)造價(jià)較高；在恒功率模式下，操縱較為復(fù)雜，控制系統(tǒng)成本較高；弱磁能力差，調(diào)速范圍有限；功率范圍較小，受磁材料工藝的影響和限制，最大功率僅為幾十千瓦；低速時(shí)額定電流較大，損耗大，效率較低；永磁材料在受到振動(dòng)、高溫和過(guò)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(guò)載。永磁材料磁場(chǎng)不可變，要想增大電機(jī)的功率，其體積會(huì)很大；抗腐蝕性差；不易裝配。

(3)永磁電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的優(yōu)越性

①轉(zhuǎn)矩、功率密度大、起動(dòng)力矩大。永磁電機(jī)氣隙磁密度可大大提高，電機(jī)指標(biāo)可實(shí)現(xiàn)最佳設(shè)計(jì)，使得電機(jī)體積縮小、重量減輕，同容量的稀土永磁電機(jī)體積、重量、所用材料可以減輕30%左右。永磁驅(qū)動(dòng)電機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，在汽車啟動(dòng)時(shí)能提供有效地啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，滿足汽車的運(yùn)行需求。

②力能指標(biāo)好。Y系列電機(jī)在60%的負(fù)荷下工作時(shí),效率下降15%,功率因數(shù)下降30%，力能指標(biāo)下降40%。而永磁電機(jī)的效率和功率因數(shù)下降甚微,當(dāng)電機(jī)只有20%負(fù)荷時(shí),其力能指標(biāo)仍為滿負(fù)荷的80%以上。同時(shí)永磁無(wú)刷同步電機(jī)的恒轉(zhuǎn)矩區(qū)比較長(zhǎng),一直延伸到電機(jī)最高轉(zhuǎn)速的50%左右,這對(duì)提高汽車的低速動(dòng)力性能有很大幫助。

③高效節(jié)能。在轉(zhuǎn)子上嵌入稀土永磁材料后,在正常工作時(shí)轉(zhuǎn)子與定子磁場(chǎng)同步運(yùn)行,轉(zhuǎn)子繞組無(wú)感生電流,不存在轉(zhuǎn)子電阻和磁滯損耗,提高了電機(jī)效率。永磁電機(jī)不但可減小電阻損耗,還能有效地提高功率因數(shù)。如在25%-120%額定負(fù)載范圍內(nèi)永磁同步電機(jī)均可保持較高的效率和功率因素。

④結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高。用永磁材料勵(lì)磁,可將原勵(lì)磁電機(jī)中勵(lì)磁線圈由一塊或多塊永磁體替代,零部件大量減少,在結(jié)構(gòu)上大大簡(jiǎn)化，改善了電機(jī)的工藝性,而且電機(jī)運(yùn)行的機(jī)械可靠性大為增強(qiáng),壽命增加。轉(zhuǎn)子繞組中不存在電阻損耗,定子繞組中幾乎不存在無(wú)功電流，電機(jī)溫升低,這樣也可以使整車?yán)鋮s系統(tǒng)的負(fù)荷降低,進(jìn)一步提高整車運(yùn)行的效率。

(4)永磁同步電機(jī)的控制系統(tǒng)

永磁電機(jī)的控制技術(shù)與感應(yīng)電機(jī)類似，控制策略上主要集中在提高低速轉(zhuǎn)矩特性和高速恒功率特性上。目前，永磁同步電機(jī)低速時(shí)常采用矢量控制，包括氣隙磁場(chǎng)定向、轉(zhuǎn)子磁鏈定向、定子磁鏈定向等；而在高速運(yùn)行時(shí)，永磁同步電機(jī)通常采用弱磁控制。

(5)永磁電機(jī)應(yīng)用現(xiàn)狀

稀土永磁電機(jī)的設(shè)計(jì)理論、計(jì)算方法、檢測(cè)技術(shù)和制造工藝正不斷地完善和發(fā)展,永磁材料的性能和可靠性正不斷地提高。電力電子技術(shù)、大規(guī)模集成電路和計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展也對(duì)永磁驅(qū)動(dòng)電機(jī)的發(fā)展起到了積極的促進(jìn)作用。隨著未來(lái)混合動(dòng)力汽車和純電動(dòng)汽車的快速發(fā)展,永磁驅(qū)動(dòng)電機(jī)將迎來(lái)一個(gè)更為快速發(fā)展的時(shí)期,其發(fā)展趨勢(shì)也將呈現(xiàn)以下特點(diǎn):高功率密度、高轉(zhuǎn)矩密度、高可控性、高效率、高性能、高價(jià)格比等,以滿足混合動(dòng)力汽車和純電動(dòng)汽車的實(shí)際需求。

4、開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)在新能源汽車中的應(yīng)用

(1)開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)介

開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)(SwitchedReluctanceDrive：SRD)是繼變頻調(diào)速系統(tǒng)、無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)之后發(fā)展起來(lái)的最新一代無(wú)級(jí)調(diào)速系統(tǒng)，是集現(xiàn)代微電子技術(shù)、數(shù)字技術(shù)、電力電子技術(shù)、紅外光電技術(shù)及現(xiàn)代電磁理論、設(shè)計(jì)和制作技術(shù)為一體的光、機(jī)、電一體化高新技術(shù)。它具有調(diào)速系統(tǒng)兼具直流、交流兩類調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)。

開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)覆蓋功率范圍10W~5MW的各種高低速驅(qū)動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)。使的開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)存在許多潛在的領(lǐng)域，在各種需要調(diào)速和高效率的場(chǎng)合均能得到廣泛使用(電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)、通用工業(yè)、家用電器、紡織機(jī)械、電力傳動(dòng)系統(tǒng)等各個(gè)領(lǐng)域)。

開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)工作原理：開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行遵循“磁阻最小原理”——磁通總要沿磁阻最小的路徑閉合。而具有一定形狀的鐵心在移動(dòng)到最小磁阻位置時(shí)，必使自己的主軸線與磁場(chǎng)的軸線重合。

(2)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)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(méi)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(méi)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，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。

開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)還具有在較寬轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)高效運(yùn)行、控制靈活、可四象運(yùn)行、響應(yīng)速度快、成本較低等優(yōu)點(diǎn)。工藝性好，適用于高速，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)；電機(jī)轉(zhuǎn)矩的方向與繞組電流的方向無(wú)關(guān)；適用于頻繁啟停以及正反向轉(zhuǎn)換運(yùn)行；啟動(dòng)電流小，轉(zhuǎn)矩大；可控參數(shù)多，調(diào)速性能好；具有較強(qiáng)的再生制動(dòng)能力；定子和轉(zhuǎn)子的材料均采用硅鋼片，易于獲取和回收利用。

但開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)有轉(zhuǎn)矩波動(dòng)大、需要位置檢測(cè)器、系統(tǒng)非線性特性，磁場(chǎng)為跳躍性旋轉(zhuǎn)，控制系統(tǒng)復(fù)雜；對(duì)直流電源會(huì)產(chǎn)生很大的脈沖電流等缺點(diǎn)。位置檢測(cè)器是開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵器件，其性能對(duì)開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的控制操作有重要影響。由于開(kāi)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(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)最主要的缺點(diǎn)。

但近年來(lái)的研究表明，采用合理的設(shè)計(jì)、制造和控制技術(shù)，開(kāi)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(kāi)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。

(3)開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)

開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的核心是開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)(SRM)，它涉及到電動(dòng)機(jī)，電力電子，微機(jī)，控制，光電轉(zhuǎn)換，角度測(cè)量等等多學(xué)科知識(shí)，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，控制系統(tǒng)要求也比較獨(dú)特，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)和永磁同步電動(dòng)機(jī)的控制方法通常難以滿足系統(tǒng)的控制要求。目前電動(dòng)汽車應(yīng)用較少。它的主要研究方向是模型研究。

由于開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)具有明顯的非線性特性，系統(tǒng)難于建模，一般的線性控制方式不適于開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)。目前主要利用模糊邏輯控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等。

它的控制系統(tǒng)包括功率變換器、控制器和位置傳感器及速度檢測(cè)器等部分。

①功率變換器

開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁繞組，無(wú)論通過(guò)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(kāi)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。

②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(lái)控制開(kāi)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。控制器性能好壞和調(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。

③位置檢測(cè)器

開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)需要高精度的位置檢測(cè)器，來(lái)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(kāi)關(guān)頻率以降低開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的噪聲。

5、直流電動(dòng)機(jī)在新能源汽車中的應(yīng)用

直流電機(jī)可分為永磁式直流電機(jī)和繞組勵(lì)磁式電機(jī)兩種。一般小功率采用前者，大功率采用后者，下面主要討論后者。

(1)直流電動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)介

直流電機(jī):將直流電能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能(直流電動(dòng)機(jī))或?qū)C(jī)械能轉(zhuǎn)化為直流電能(直流發(fā)電機(jī))的旋轉(zhuǎn)電機(jī)。

直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)應(yīng)由定和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。直流電機(jī)運(yùn)行時(shí)靜止不動(dòng)的部分稱為定子，定子的主要作用是產(chǎn)生磁場(chǎng)，由機(jī)座、主磁極、換向極、端蓋、軸承和電刷裝置等組成。運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)的部分稱為轉(zhuǎn)子，其主要作用是產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，是直流電機(jī)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的樞紐，所以通常又稱為電樞，由轉(zhuǎn)軸、電樞鐵心、電樞繞組、換向器和風(fēng)扇等組成。

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。

(2)直流電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)

直流電動(dòng)機(jī)有下面的優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；具有優(yōu)良的電磁轉(zhuǎn)矩控制特性，可實(shí)現(xiàn)基速以下恒轉(zhuǎn)矩、基速以上恒功率，可滿足汽車對(duì)動(dòng)力源低速高轉(zhuǎn)矩、高速低轉(zhuǎn)矩的要求；可頻繁快速啟動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)；調(diào)速平滑、無(wú)級(jí)、精確、方便，范圍廣；抗過(guò)載能力強(qiáng)，能夠承受頻繁的沖擊負(fù)載；控制方法簡(jiǎn)單，只需要用電壓控制，不需要檢測(cè)磁極位置。

但是它也有下面缺點(diǎn)：設(shè)有電刷和換向器，高速和大負(fù)荷運(yùn)行時(shí)換向器表面易產(chǎn)生電火花，同時(shí)換向器維護(hù)困難，很難向大容量、高速度發(fā)展，此外電火花會(huì)產(chǎn)生電磁干擾；不宜在多塵、潮濕、易燃易爆的環(huán)境中使用；價(jià)格高、體積和質(zhì)量大。其中電火花產(chǎn)生的電磁干擾，對(duì)高度電子化的電動(dòng)汽車來(lái)說(shuō)將是致命的。隨著電子力子技術(shù)和控制理論的發(fā)展，相對(duì)于其它驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)而言，直流電機(jī)在電動(dòng)汽車中的應(yīng)用已處于劣勢(shì)，目前已逐漸被淘汰。

(3)直流電機(jī)的控制系統(tǒng)

直流電機(jī)控制系統(tǒng)主要由斬波器和中央控制器構(gòu)成，根據(jù)直流電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的需要，通過(guò)斬波器來(lái)控制電機(jī)的輸入電壓、電流，來(lái)控制和驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)的運(yùn)行。

6、各種電機(jī)的比較

我們先比較各種電機(jī)的發(fā)展歷史，從圖4上我們可以看到，有刷直流電機(jī)、一般同步電機(jī)、感應(yīng)電機(jī)與有刷磁鐵電機(jī)商品化歷史最長(zhǎng)，其產(chǎn)品更新?lián)Q代不斷，而且迄今還在應(yīng)用。而自上世紀(jì)80年代開(kāi)始進(jìn)入商品化的表面永磁同步電機(jī)與1990年代以來(lái)研制開(kāi)發(fā)的開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)、內(nèi)置式永磁同步電機(jī)以及最新的同步磁阻電機(jī)相繼進(jìn)入市場(chǎng)，并在電動(dòng)汽車與混合動(dòng)力車上獲得應(yīng)用。

圖4：各種電機(jī)的發(fā)展歷史比較

就目前發(fā)展水平，各類驅(qū)動(dòng)電機(jī)基本性能比較如下：

圖5：各類驅(qū)動(dòng)電機(jī)基本性能比較

圖6：各類驅(qū)動(dòng)電機(jī)基本性能比較

然后再比較各種電機(jī)在哪些新能源汽車上應(yīng)用比較廣。異步電機(jī)主要應(yīng)用在純電動(dòng)汽車，永磁同步電機(jī)主要應(yīng)用在混合動(dòng)力汽車中，開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)目前主要應(yīng)用在客車中。而從中國(guó)不同種類新能源汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)的應(yīng)用來(lái)看，目前交流異步感應(yīng)電機(jī)和開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)主要應(yīng)用于新能源商用車,特別是新能源客車，開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的實(shí)際裝配應(yīng)用較少；永磁同步電機(jī)主要應(yīng)用于新能源乘用車。

最后比較各種電機(jī)在我國(guó)發(fā)展現(xiàn)狀：

(1)交流異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)我國(guó)已建立了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，形成了小批量生產(chǎn)的開(kāi)發(fā)、制造、試驗(yàn)及服務(wù)體系；產(chǎn)品性能基本滿足整車需求，大功率異步電機(jī)系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于各類電動(dòng)客車；通過(guò)示范運(yùn)行和小規(guī)模市場(chǎng)化應(yīng)用，產(chǎn)品可靠性得到了初步驗(yàn)證。

(2)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)已形成優(yōu)化設(shè)計(jì)和自主研發(fā)能力，通過(guò)合理設(shè)計(jì)電機(jī)結(jié)構(gòu)、改進(jìn)控制技術(shù)，產(chǎn)品性能基本滿足整車需求；部分公司已具備年產(chǎn)2000套的生產(chǎn)能力，能滿足小批量配套需求，目前部分產(chǎn)品已配套整車示范運(yùn)行，效果良好。

(3)無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)國(guó)內(nèi)企業(yè)通過(guò)合理設(shè)計(jì)及改進(jìn)控制技術(shù)，有效提高了無(wú)刷直流電機(jī)產(chǎn)品性能，基本滿足電動(dòng)汽車需求；已初步具有機(jī)電一體化設(shè)計(jì)能力。

(4)永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)已形成了一定的研發(fā)和生產(chǎn)能力，開(kāi)發(fā)了不同系列產(chǎn)品，可應(yīng)用于各類電動(dòng)汽車；產(chǎn)品部分技術(shù)指標(biāo)接近國(guó)際先進(jìn)水平，但總體水平與國(guó)外仍有一定差距；基本具備永磁同步電機(jī)集成化設(shè)計(jì)能力；多數(shù)公司仍處于小規(guī)模試制生產(chǎn)，少數(shù)公司已投資建立車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)專用生產(chǎn)線。

(5)永磁電機(jī)材料永磁電機(jī)的主要材料有釹鐵硼磁鋼、硅鋼等。部分公司掌握了電機(jī)轉(zhuǎn)子磁體先裝配后充磁的整體充磁技術(shù)。國(guó)內(nèi)研制的釹鐵硼永磁體最高工作溫度可280℃，但技術(shù)水平仍與德國(guó)和日本有較大差距。硅鋼是制造電機(jī)鐵芯的重要磁性材料，其成本占電機(jī)本體的20%左右，其厚度對(duì)鐵耗有較大影響，日本已生產(chǎn)出0.27mm硅鋼片用于車用電機(jī)，我國(guó)僅開(kāi)發(fā)出0.35mm硅鋼片。

7、新能源汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)未來(lái)展望

新能源汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)目前的發(fā)展方向有以下幾方面：小型輕量化；高效性；更出色的轉(zhuǎn)矩特性；使用壽命長(zhǎng)，可靠性高；噪聲低；價(jià)格低廉。隨著時(shí)間的推移，新能源驅(qū)動(dòng)電機(jī)的發(fā)展呈現(xiàn)了下面的趨勢(shì)：

①電機(jī)本體永磁化：永磁電機(jī)具有高轉(zhuǎn)矩密度、高功率密度、高效率、高可靠性等優(yōu)點(diǎn)。我國(guó)具有世界最為豐富的稀土資源，因此高性能永磁電機(jī)是我國(guó)車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)的重要發(fā)展方向。

②電機(jī)控制數(shù)字化：專用芯片及數(shù)字信號(hào)處理器的出現(xiàn)，促進(jìn)了電機(jī)控制器的數(shù)字化，提高了電機(jī)系統(tǒng)的控制精度，有效減小了系統(tǒng)體積。

③電機(jī)系統(tǒng)集成化：通過(guò)機(jī)電集成(電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)集成或電機(jī)與變速箱集成)和控制器集成，有利于減小驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的重量和體積，可有效降低系統(tǒng)制造成本。

下面談?wù)劧喾N未來(lái)的電機(jī)，隨著新能源汽車驅(qū)動(dòng)技術(shù)的快速發(fā)展，許多新結(jié)構(gòu)或新概念電機(jī)已經(jīng)投入研究。其中新型永磁無(wú)刷電機(jī)是目前最有前景的電機(jī)之一，包括混合勵(lì)磁型、輪轂型、雙定子型、記憶型以及磁性齒輪復(fù)合型等。此外非晶電機(jī)也開(kāi)始走進(jìn)新能源汽車領(lǐng)域，作為新一代高性能電機(jī)，其自身的優(yōu)越性必將對(duì)新能源汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起到巨大的推動(dòng)作用。

(1)混合勵(lì)磁電機(jī)

混合勵(lì)磁電機(jī)是在保持電機(jī)較高效率的前提下，改變電機(jī)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由兩種勵(lì)磁源共同產(chǎn)生電機(jī)主磁場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)主磁場(chǎng)的調(diào)節(jié)和控制，改善電機(jī)調(diào)速、驅(qū)動(dòng)性能或調(diào)壓特性的一類新型電機(jī)。其不僅繼承了永磁電機(jī)的諸多特點(diǎn)，而且還具有電勵(lì)磁電機(jī)氣隙磁場(chǎng)平滑可調(diào)的優(yōu)點(diǎn)。如永磁開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)和永磁同步磁阻電機(jī)。

(2)雙定子永磁電機(jī)

雙定子電機(jī)是在現(xiàn)有電機(jī)體積不變的基礎(chǔ)上增加定子的個(gè)數(shù)，使氣隙數(shù)量由一層變?yōu)閮蓪踊蛘叨鄬拥囊环N新型永磁無(wú)刷電機(jī)。由于轉(zhuǎn)矩的疊加，作用于轉(zhuǎn)子上的電磁轉(zhuǎn)矩也會(huì)相應(yīng)增加，從而提高電機(jī)整體的轉(zhuǎn)矩密度和功率密度。由于這種電機(jī)的機(jī)械集成度較高，所以其具有響應(yīng)快、動(dòng)態(tài)特性好，結(jié)構(gòu)材料利用率高和驅(qū)動(dòng)靈活等特點(diǎn)。

(3)記憶電機(jī)

記憶電機(jī)又稱為磁通可控永磁電機(jī)，與一般永磁電機(jī)的區(qū)別在于，永磁材料本身的磁化程度能夠在很短的時(shí)間內(nèi)通過(guò)施加充磁或者去磁電動(dòng)勢(shì)而得到改變，并且充磁和去磁之后其磁化程度也能被保留住記憶。因此具有更寬的調(diào)速范圍，同時(shí)可以避免產(chǎn)生額外的勵(lì)磁損耗，實(shí)質(zhì)上是一種新的簡(jiǎn)單高效的弱磁控制技術(shù)。

(4)磁性齒輪永磁無(wú)刷復(fù)合電機(jī)

該電機(jī)是一種集成無(wú)刷直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)和共軸磁性齒輪的復(fù)合電機(jī)。所謂共軸磁性齒輪是一種基于調(diào)磁諧波原理的高性能、無(wú)接觸的變速傳遞裝置。這種電機(jī)巧妙地利用了共軸磁性齒輪內(nèi)轉(zhuǎn)子的中空部分，將電機(jī)定子嵌入其中，將輪胎直接鉚合在齒輪外轉(zhuǎn)子上，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)、磁性齒輪、輪胎的一體化，有效地提高了空間利用率。

(5)非晶電機(jī)

非晶電機(jī)是一種利用非晶合金取代傳統(tǒng)硅鋼片作為鐵心材料的高效、節(jié)能、無(wú)污染的新型電機(jī)。其在高頻下的損耗極低，具有很高的效率；與相同標(biāo)準(zhǔn)的普通電機(jī)相比，體積和質(zhì)量大大減小，極大地提高了能源和資源的利用率。

對(duì)于同樣的新能源汽車，若使用非晶電機(jī)可以增加其行駛里程30%以上，而在相同行駛里程的情況下，電池可以節(jié)省30%的費(fèi)用。總之，非晶電機(jī)憑借其高效率、高功率密度等優(yōu)勢(shì)將成為替代傳統(tǒng)電機(jī)的下一代高效電機(jī)。