霍汝鋒 譚立峰 賴艷

摘要：純電動汽車的驅(qū)動電機是電動車關(guān)鍵的零部件。電動車運行時工況復(fù)雜對電機的要求高，需具備調(diào)速區(qū)域?qū)拸V、轉(zhuǎn)速高、效率高、可靠性強、成本低等特點。通過對四種電機的特性、控制系統(tǒng)的對比，分析其相關(guān)參數(shù)結(jié)合現(xiàn)階段研發(fā)方向，得出我國電動汽車電機將向永磁化、數(shù)字化、集成化發(fā)展。

關(guān)鍵詞：電動車電機；控制系統(tǒng)；技術(shù)

1引言

純電動車電機是電力驅(qū)動系統(tǒng)中關(guān)鍵的零部件，不同類型電機表現(xiàn)的性能差異比較大，控制方式各有特點。針對主流的四種電機的特性，進行功能分析、數(shù)據(jù)對比，尋找電動車電機的發(fā)展方向。電機是通過將蓄電池的電能（電流）經(jīng)過功率轉(zhuǎn)化器轉(zhuǎn)化后輸送給電動機最終以動能的形式輸出，當(dāng)汽車在減速制動或下坡等工況下將車輪的動能經(jīng)能量回收系統(tǒng)轉(zhuǎn)化并收集存儲在蓄電池中，實現(xiàn)能量循環(huán)利用。

2電動汽車對電機的性能要求

一個高效率、高質(zhì)量、高性價比的電機可以提高電動車的動力性和經(jīng)濟性，因此對電機的性能要求：

（1）功率密度大?？蓾M足在啟動、停車、加減速等工況下運行。

（2）電機工作速域?qū)?。電動車?qū)動的速度、轉(zhuǎn)矩變化范圍較大。

（3）成本低廉，維修容易。電機的零件價格低有利于電動汽車的使用推廣。

（4）可靠性強，性能穩(wěn)定。各種惡劣的工作環(huán)境下能高效地完成工作。

3電機驅(qū)動系統(tǒng)的電機及控制器

電動車電機需要同時具備電動和發(fā)電的功能，目前實際應(yīng)用或科學(xué)研發(fā)電動機類型有直流電動機、交流三相感應(yīng)電動機、永磁同步電動機、開關(guān)磁阻電動機等。電機的控制系統(tǒng)起到調(diào)節(jié)電機運行狀態(tài)的作用，滿足在不同工況下的運行要求。

3.1直流電機及其控制系統(tǒng)

直流電機結(jié)構(gòu)簡單，成本較低同時具有優(yōu)秀的電磁轉(zhuǎn)矩控制特性，但缺陷同樣明顯在機械換向結(jié)構(gòu)時比較容易產(chǎn)生電火花，在多塵和易燃易爆環(huán)境使用有安全隱患，此外換向器維護困難，轉(zhuǎn)速較低難以滿足電動車高轉(zhuǎn)速的需求。

斬波器是直流電機控制系統(tǒng)的重要組成部件，電動車的各種工況所需轉(zhuǎn)矩的數(shù)值不同，輸入的電流可驅(qū)動直流電機運行，斬波器的作用是控制輸入的電流的數(shù)值，按照電動車實際的需求進行調(diào)整。直流電機用斬波器作為其功率交換器，電力晶體投管調(diào)速裝置逐漸投入使用。

3.2交流三相感應(yīng)電機及其控制系統(tǒng)

交流三相感應(yīng)電機結(jié)構(gòu)形式簡單，可靠性強，效率較高，性價比高。功率的范圍寬廣，可實現(xiàn)12000～15000r/min的轉(zhuǎn)速。在運行過程中其耗電量較大，轉(zhuǎn)子容易發(fā)熱，相比于直流電機調(diào)速方法更為復(fù)雜，但其綜合性能良好，目前國內(nèi)的電動車主流電動機是交流三相感應(yīng)電機。

交流三相感應(yīng)電機的控制主要采用矢量控制技術(shù)，直流電需要逆變裝置進行轉(zhuǎn)換才能輸送給交流電機。交流電機主要采用直流斬波器加速逆變器和PWM（脈沖寬度調(diào)制）逆變器，PWM（脈沖寬度調(diào)制）逆變器線路簡單，傳輸能量環(huán)節(jié)少，效率高。

3.3永磁同步電機及其控制系統(tǒng)

永磁同步電機是利用永磁體建立勵磁磁場的同步電動機，其定子產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，轉(zhuǎn)子用永磁材料制成。永磁同步電機既要把蓄電池的電能化為動能進行輸出，同時需要把減速、下坡時的動能轉(zhuǎn)化為電能儲存到蓄電池中，勵磁電流可以實現(xiàn)以上要求。獨特的轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)是永磁同步電機的特征，表面突出式、表面插入式和內(nèi)置式的結(jié)構(gòu)形式可以作為區(qū)分形式。內(nèi)置式的結(jié)構(gòu)永磁電機適合用作高效率、高性能、高調(diào)速的電動車電機，其特點是結(jié)構(gòu)靈活、設(shè)計自由度大、運行可靠。

永磁電機的控制系統(tǒng)技術(shù)與感應(yīng)電機技術(shù)接近，目的是把電機的低速轉(zhuǎn)矩性能和電機的高速恒功率性能進行優(yōu)化?？刂品绞礁鶕?jù)電機轉(zhuǎn)速進行匹配，低速時采用矢量控制高速時采用弱磁控制。在25%-120%額定負載區(qū)域內(nèi)可保持較高的效率和功率密度，恒轉(zhuǎn)矩區(qū)范圍比較寬廣，可持續(xù)延長到最高轉(zhuǎn)速的55%。永磁驅(qū)動電機具有功率密度高、轉(zhuǎn)速范圍廣、能量轉(zhuǎn)化效率高、性能強、成本適中等特點符合純電動汽車的性能需求，是后續(xù)電動汽車電機發(fā)展方向。

3.4開關(guān)磁阻電機及其控制系統(tǒng)

開關(guān)磁阻電機的定子和轉(zhuǎn)子鐵芯由眾多硅鋼片的組成。轉(zhuǎn)子沒有任何繞組，相比其他直流電機和感應(yīng)電機沒有疲勞故障和轉(zhuǎn)速限制等問題，定子結(jié)構(gòu)簡單，制造工藝簡單成本低。

通過控制相繞組的接通時間、斷開時間對應(yīng)有相應(yīng)的開啟角和關(guān)閉角，從而獲得相應(yīng)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩需求。開關(guān)磁阻在寬轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)運行高效，響應(yīng)速度快，但轉(zhuǎn)矩波動大，電機噪聲大、系統(tǒng)非線性等因素制約了其在電動汽車上的應(yīng)用。

4結(jié)語

通過對四種電機的特性、控制系統(tǒng)的對比，分析其相關(guān)參數(shù)結(jié)合現(xiàn)階段我國電動汽車研發(fā)方向，可以預(yù)測到我國電動汽車的發(fā)展將以永磁化、效率高、可靠性強、性價比的電機為基礎(chǔ)進行發(fā)展。由本文表1中的數(shù)據(jù)可以觀察到，永磁電機在橫向?qū)Ρ戎袃?yōu)勢明顯，具有高功率、寬轉(zhuǎn)速范圍、高可靠性、輕量化等優(yōu)點，可滿足現(xiàn)在我國電動車發(fā)展的需求。在此優(yōu)秀性能基礎(chǔ)上控制產(chǎn)品成本、提高產(chǎn)品可靠性將有利于我國電汽車的推動發(fā)展。