2.1　電動汽車用驅動電機簡介

2.1.1　電動汽車對驅動電機的要求

電動汽車驅動電機性能的好壞，將直接影響到電動汽車的起步、停車、加減速、高速行駛和爬坡等技術性能指標。為滿足電動汽車的動力性、經濟性，電動汽車對驅動電機有一些特殊的要求。

① 驅動電機要以電磁轉矩為控制目標，加速踏板的開度是通過控制器給電機電磁轉矩的目標值。要求電機轉矩響應迅速、波動性小、穩定性好。

② 由于電動汽車在使用時，有起步、加速、巡航、減速和制動等多種工況，要求驅動電機具有較寬的調速范圍。為保證加速時間，要求電機在低速加速時具有較大的輸出轉矩和過載能力（一般為額定轉矩的2～4倍），過載時間在3min以上。為保證電動汽車在巡航時行駛在最高車速，驅動電機在高速運轉時具有高的功率。電機最高轉速一般在基速額定值的2倍以上。

③ 驅動電機的損耗要低，在整個運行范圍內要效率高，盡可能地提高一次充電的續駛里程。

④ 電動汽車在減速時要實現再生制動，將能量回收并反饋給蓄電池，能量回收率應占總能量的15%以上。

⑤ 電機安全性應符合國家有關車輛電氣安全的性能標準規定，對高電壓的還需裝備高壓防護裝置。

⑥ 驅動電機的耐振動、耐高溫和防水耐濕能力強、等級高，能在惡劣的氣候條件下和各種道路上長時間工作，可靠性高。

⑦ 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，因此驅動電機體積和質量應盡可能小，結構要簡單，使用維護要方便。

⑧ 電機的運行噪聲低。

⑨ 驅動電機在允許的電壓等級范圍內，盡量采用高壓電，電機的電磁兼容性要好。

⑩ 驅動電機的制造工藝簡單，價格合理，適合于批量生產。

2.1.2　電動汽車驅動電機的種類

電動汽車早期采用的是直流電機，隨后逐步采用的是交流感應電機、永磁同步電機和開關磁阻電機等。電動汽車驅動電機根據工作原理和結構的不同有如下幾種。

（1）有換向器有刷電機　在有換向器有電刷的電動汽車驅動電機中又分為直流串勵電機、直流他勵電機和永磁電機。

（2）無換向器無刷電機　無換向器無刷電機按輸入磁場電流的波形分為正弦波電機和方波電機。

① 正弦波電機　又可分為異步電機和同步電機，其中異步電機根據結構又可分為感應式異步電機和繞線式異步電機；同步電機按勵磁方式又可分為永磁同步電機和電勵磁同步電機。

② 方波電機　按結構分為開關磁阻電機和永磁無刷電機。

（3）無軸承同步磁阻電機　為特種驅動電機。

2.1.2.1　電動汽車直流驅動電機

早期電動汽車采用的是直流電機，最主要的原因是直流電機具有優良的轉矩特性，其控制原理和控制裝置簡單、控制成本低、啟動和加速轉矩大、調速性能好。但其致命的缺點是，電刷和機械換向器限制了電機的過載能力、速度、功率體積比、功率質量比和效率的進一步提高。而且換向器產生的電火花、電磁干擾和噪聲等極大地降低了可靠性，影響了其應用，同時其必須定期維護才能正常使用。現在一些低速短程電動汽車上廣泛使用直流電機。

直流電機主要通過改變電樞電壓，采用脈沖寬度調節（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，如一象限型適用于正向電動模式，二象限型適用于電動和再生制動模式，三象限型適用于反向電動模式，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。

直流電機在國外電動汽車上的應用如下。

① 法國雪鐵龍SAXO電動汽車，采用120V、20kW直流驅動電機，最高車速達90km/h，該車續駛里程為100km。

② 法國標致QCGS106電動汽車，采用120V、20kW直流驅動電機，最高車速達110km/h，該車續駛里程為200km。

2.1.2.2　電動汽車交流感應驅動電機

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，電動汽車的驅動電機采用交流感應電機的情況日益增多。國外對交流異步鑄銅轉子感應電機作為牽引驅動電機使用非常重視，它與直流電機相比，具有結構簡單、堅固、體積和質量小、成本低、效率高且價格低廉等優勢。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較理想的選擇，尤其是對驅動系統功率需求較大的電動客車。但交流異步感應電機在低速運行時，也存在效率低、發熱嚴重、控制系統復雜等有待解決的技術問題。

交流感應電機有籠型轉子式和繞線轉子式兩種。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、耐久性能不足，因而沒有籠型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，籠型轉子式交流感應電機得到了廣泛應用。電動汽車使用的交流感應驅動電機的額定電壓一般為380V，其功率電動乘用車為20～80kW，電動商用車為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。根據有關動力性能參數正確地予以選擇，以盡量縮短電機空載運行時間。

目前國內外高性能電動汽車交流感應電機控制，主要有矢量控制和直接轉矩控制兩種控制方法。矢量控制方法已比較成熟，應用普遍，直接轉矩控制方法有待于進一步完善。

矢量控制下的三相交流感應電機的機械特性如圖2-1所示。

交流異步感應電機在國內外電動汽車上的應用如下。

① 美國通用公司的EV1/EV2純電動汽車，采用功率102kW交流異步感應電機，在0～7000r/min間的任何轉速下可產生149N·m的轉矩。

② 京華電動公交車、客車采用額定功率為100kW的交流異步感應電機JD132A，額定電壓為360V，額定轉速為2000r/min，額定轉矩為447.8N·m，峰值功率為150kW，峰值轉速為4500r/min，峰值轉矩為850N·m。

③ 中通純電動豪華旅游客車，采用額定功率為100kW的交流異步感應電機JD144C，額定功率為100kW，額定轉速為2000r/min，額定轉矩為447N·m，峰值功率為150kW，峰值轉速為5300r/min，峰值轉矩為1000N·m。

2.1.2.3　電動汽車永磁同步電機

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優點，是當前電動車輛用驅動電機的熱點。永磁同步電機分為交流永磁同步電機、直流無刷永磁電機、新型永磁電機三大類，目前在電動汽車中主要采用的是前兩類。

（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電機，又稱為正弦波永磁同步電機，采用定子磁場的定向矢量控制和轉子連續位置反饋信號來控制電機的調速和換向。

交流永磁同步電機由定子和轉子兩部分組成，定、轉子之間有氣隙，定子和普通交流電機相同，在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的安放位置，轉子分為三種：永磁體表面凸出式結構，電機的極性是隱極式；永磁體表面嵌入式結構，電機的極性是凸極式（凸極度低）；永磁體內置式，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，該永磁材料具有很高的剩磁感應強度、矯頑力和最大磁能積，可大大提高電機的功率質量比。采用釹鐵硼制成的永磁同步電機具有體積和質量小等優勢，故得到廣泛應用。

交流永磁同步電機根據轉子對定子的位置不同可分為三種：外轉子式，將定子固定在電機中心，轉子處于定子外圓之外圍繞電機的中心做旋轉運動；內轉子式，將定子固定在電機中心，轉子在定子腔內圍繞電機的中心做旋轉運動，外轉子式和內轉子式這兩種電機的氣隙是圓柱面的，氣隙磁場是徑向的，稱為圓柱式電機或徑向磁場電機；盤式電機，與圓柱式電機不同，其定子和轉子均為圓盤形，在電機中心對等放置，氣隙是平面形的，氣隙磁場是軸向的，故稱為軸向磁場電機，此類電機結構簡單、緊湊，軸向尺寸短，有較高的功率和質量比。以上三種永磁同步電機，在電動汽車上采用的多是內轉子式交流永磁同步電機。

交流永磁同步電機無需勵磁電流，效率和功率因數較高，體積小、結構簡單可靠。交流永磁同步電機具有頻帶寬、反應快、精度高、調速范圍寬等優點。功率驅動器運轉時無噪聲、無電火花。在低速直接驅動的場合交流永磁同步電機具有比交流感應電機和直流無刷電機更優越的性能。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技術有著長足的進步。在20世紀90年代后全數字控制的正弦波交流永磁驅動技術已完全成熟，并實現了商品化。由于具有優良的低速性能，又可實現弱磁高速控制，拓寬了系統的調速范圍，滿足了電動汽車高性能驅動要求。隨著永磁材料及電機控制技術的飛速發展，進一步提高了交流永磁同步電機的性價比，因此交流永磁同步電機在電動汽車驅動系統中的應用會越來越廣泛。

交流永磁同步電機在國內外電動汽車上的應用如下。

① 福特公司純電動汽車福克斯采用額定功率為90kW、額定轉矩為245N·m的交流永磁同步電機。該車最高車速為136km/h，續駛里程為160km。電機效率比相同內燃機提高3倍，有效地減少了能量損失和熱量的產生。

② 日本KAZ純電動汽車采用額定功率為90kW的交流永磁同步電機，該車最高車速為320km/h，最大續駛里程為300km。

③ 米其林公司制成額定功率為30kW、峰值功率為60kW的交流永磁同步輪轂電機，裝配在車輛上使0～100km/h的加速時間大大縮短。

④ 豐田普銳斯第三代采用功率為60kW、最大轉速為13500r/min、最大輸出轉矩為207N·m的交流永磁同步電機。

⑤ 一汽解放CA6127URE31純電動城市客車，采用額定電壓為380V、額定功率為115kW、額定轉速為2000r/min的交流永磁同步電機，該電機峰值功率達150kW，峰值轉矩為850N·m。

（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的基礎上發展起來的，其電磁結構和傳統直流電機一樣，其反向電動勢波形和供電電流波形都是矩形波，又稱為矩形波永磁電機。直流無刷永磁電機定子采用集中繞組，內置PTC熱敏電阻進行熱保護，使用霍爾元件作位置傳感器鑲嵌在轉子永磁體中。通過轉子位置傳感器、控制電路和換向電路共同組成電子換向裝置，代替電刷機械換向，取消了滑動式機械接觸機構。電機相數可有三相、四相、六相甚至十幾相等，根據發熱量的不同采用自然冷卻或外加風機強制通風散熱冷卻等方式。

當直流無刷永磁電機的定子繞組為星形接法時，其控制器采用半橋電路或全橋電路均可；定子繞組為三角形接法時，則只能采用全橋電路。直流無刷永磁電機電極數少則效率高，但轉矩脈動大；極數多則轉矩的脈動小，但過多的極數會導致結構復雜，控制功率和開關管的增加，其成本也相應增大。目前電動汽車中采用最多的是三相全橋星形兩兩通電的驅動控制方式。

直流無刷永磁電機的優點：結構簡單、質量輕、使用維護方便；無轉子耗損，易于實現高速和快速制動；效率高、動態響應性好；具有和傳統直流電機一樣好的轉矩-轉速控制特性，能實現大范圍內的調速控制；控制簡單，具有硬機械特性且制造成本低；能適應電動汽車惡劣的運行環境。

直流無刷永磁電機的缺點：運行時轉矩脈動大，不適于輕載低速直接驅動的場合；鐵芯附加耗損大，不適于高精度、高性能要求驅動的場合。

直流無刷永磁電機在國內外電動汽車上的應用如下。

① 日本EV-plus純電動汽車采用額定功率為49kW、額定電壓為288V的直流無刷永磁電機，該車在經濟轉速下的最大續駛里程為180km。

② 戴姆勒-奔馳公司的Smart純電動汽車，采用功率為30kW的直流無刷永磁電機，該車最高車速為97km/h，續駛里程為160km。

③ 長城精靈純電動汽車采用功率為50kW的直流無刷永磁電機，簡化了結構，提高了效率，速度可達130km/h，采用鋰離子電池10min充電70%，續駛里程達180km。

（3）新型永磁電機　目前在電動汽車使用的驅動電機中，處于研發試驗階段的還有兩種新型永磁電機：一種是混合式永磁電機（HSM）；另一種是續流增磁永磁電機。

混合式永磁電機又分為以下三種。

① 永磁和磁阻混合。有兩種混合方式：將永磁體嵌入轉子回路中，電機同時產生永磁轉矩和同步磁阻轉矩；將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）。

② 綜合利用永磁轉矩和磁滯轉矩。將永磁體嵌入磁滯環槽內從而綜合利用永磁轉矩和磁滯轉矩而制成電機，這種磁滯混合電機具有啟動轉矩高、運行平穩、噪聲低等許多獨特的優點，很適合用于電動汽車的驅動系統中。

③ 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，以達到電動汽車驅動電機對轉矩和轉速特性的要求。

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。該電機采用稀土永磁體和增磁繞組復合勵磁的方式，增磁繞組利用續流回路的電流進行增磁，和稀土永磁體共同產生復合磁場，能很好地滿足電動汽車驅動電機在低速時增磁增矩、高速時弱磁增速的特性要求。雙象限范圍運行可實現電動汽車再生制動能量回收利用，采用PWM脈寬調制控制技術使電機運行平穩且噪聲低，在電動汽車驅動領域具有獨特的優越性。

2.1.2.4　電動汽車開關磁阻電機

開關磁阻電機（SRM）又稱可變磁阻電機，是近二十年來是備受重視的一種新型特種電機，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，它綜合了感應電機和直流電機傳動系統的優點，有著結構簡單、容錯性好、低速輸出轉矩高、成本低、效率高等許多優良的特性，特別適合作電動汽車用驅動電機在各種工況下運行，近年來為電動汽車行業所關注。

開關磁阻電機是基于“磁阻最小”的原理而設計的具有凸極結構的新型電機，其定子凸極和轉子凸極有多種組合方式。一般轉子凸極數比定子凸極數少2個，且定子和轉子的凸極數均為偶數，相數為三相或四相（也可以為多相），共同組成不同極數的開關磁阻電機。開關磁阻電機由于無永磁體，解決了永磁同步電機和直流無刷永磁電機現存的高溫退磁、磁鋼使磁極分配不均勻、成本高等問題。開關磁阻電機具有制造容易、生產工藝簡單、成本低、控制方便、免維護和結構緊湊等特點，現代電力電子技術與計算機控制技術充分發揮了開關磁阻電機啟動轉矩大、效率高、運行平穩以及安全可靠的特長。

開關磁阻電機的雙極結構，使電機在運行時產生轉矩脈動和噪聲等問題，直接影響電動汽車的行駛穩定和乘坐舒適性，這兩個問題是以往制約開關磁阻電機應用于電動汽車行業的主要障礙。現在研發的低噪聲低振動開關磁阻電機有效地抑制了轉矩脈動及噪聲，為開關磁阻電機在電動汽車中的應用起到了積極的推動作用。有研究表明，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模式下的高效率運行。如此以來開關磁阻電機用于混合動力汽車或純電動汽車驅動系統中具有良好的開發價值，具有良好的應用前景。奔馳、沃爾沃、菲亞特、通用等國際大公司正大力研發電動汽車用開關磁阻電機。

開關磁阻電機的機械特性如圖2-2所示。開關磁阻電機的控制方式可分為電流斬波控制（CCC）、角度位置控制（APC）和電壓控制（VC）三種。

開關磁阻電機在國內外新能源電動汽車上的應用如下。

① 英國捷豹公司C-X75C插電增程式四驅超跑概念車采用兩個開關磁阻電機。

② 艾默生公司混合動力客車電機1額定功率為55kW，電機2額定功率為130kW，均為開關磁阻電機。

③ 東風公司混合動力客車采用額定功率為60kW、額定電壓為336V、輸出轉矩為355N·m的開關磁阻電機。

④ 中紡銳力公司混合動力公交車采用額定功率為35kW、額定電壓為336V、額定轉速為2000r/min、峰值功率為60kW、最大轉速為7000r/min的水冷式開關磁阻電機。

2.1.3　驅動電機旋轉變壓器和工作模式

2.1.3.1　旋轉變壓器

旋轉變壓器安裝在驅動電機上，是一種電磁傳感器，又稱同步分解器，用來測量轉軸的角位移和角速度。在電動汽車上，使用旋轉變壓器作為測量驅動電機的轉速元件，并將轉速信號傳遞給電機控制器。

（1）旋轉變壓器的結構　在電動汽車上應用的旋轉變壓器結構分為線圈和信號齒圈兩部分。傳感器的線圈固定在殼體上，信號齒圈固定在轉子上，如圖2-3所示。傳感器線圈由勵磁、正弦和余弦三組線圈組成。

（2）旋轉變壓器的工作原理　和普通變壓器的原理基本相似，區別在于普通變壓器一次、二次線圈繞組是固定的，所以輸入電壓和輸出電壓之比是常數。而旋轉變壓器的一次、二次線圈繞組隨轉子的角位移發生相對位置的改變，因而輸出電壓的大小隨轉子角位移的變化而變化，輸出繞組的電壓波形與轉子轉角成正弦或余弦關系，電壓幅值與轉子轉速成正比例函數關系。其中定子繞組作為變壓器的一次側，接受勵磁電壓；轉子繞組作為變壓器的二次側，通過電磁耦合得到感應電壓。隨著兩者相對角度的變化，在輸出側就可以得到幅值變化的波形。驅動電機傳感器用的旋轉變壓器包含三個繞組，即一個轉子繞組和兩個定子繞組。轉子繞組隨電機旋轉，定子繞組位置固定且兩個定子互成90°，如圖2-4所示。這樣，繞組形成了一個具有角度依賴系數的變壓器。將施加在轉子繞組上的正弦載波耦合至定子繞組，對定子繞組輸出進行與轉子繞組角度相關的幅度調制。由于安裝位置的原因，兩個定子繞組調制輸出信號的相位差為90°。通過解調兩個信號可以獲得驅動電機的角度位置信息。

（3）旋轉變壓器的特點　旋轉變壓器結構簡單、動作靈敏、對環境無特殊要求，能辨別正反轉位置、輸出信號幅度大，抗干擾性強、工作可靠且維護方便，因此在電動汽車上廣泛應用。

（4）旋轉變壓器故障檢修　電機與控制器低壓線束連接正確時，如果旋轉變壓器出現故障，一般分為兩種：一種是旋轉變壓器本身故障；另一種是控制器旋變解碼電路故障。不管哪一種故障，都將會導致電機無法啟動或輸出轉矩偏小。

以某車型為例，檢查電機旋轉變壓器是否損壞。首先檢查驅電機控制器與電機連接低壓線束無退針與虛接現象，檢查電機控制器低壓控制插件12V供電正常。

① 檢查線路的通斷。根據電路圖脫開電機控制器插頭，測量電機旋變插頭35針腳至電機控制器19針腳之間導線是否出現斷路/短路情況。

② 檢查勵磁繞組的電壓。打開上電（點火）開關至ON擋，測量插件端應有3～3.5V的交流電壓。

③ 檢查線圈的電阻值。用萬用表測量電機旋變傳感器的阻值，正確的線圈阻值如下。

a.正弦繞組阻值：拔下插件測量傳感器端子應有（60±10）Ω。

b.余弦繞組阻值：拔下插件測量傳感器端子應有（60±10）Ω。

c.勵磁繞組阻值：拔下插件測量傳感器端子應有（30±10）Ω。

若線圈的阻值超出正常范圍，需更換旋轉變壓器。若阻值正常，則可能是控制器內部旋變解碼電路故障，需更換控制器主控板。

2.1.3.2　工作模式

驅動電機系統有驅動電機、電機控制器，通過高低壓線束、冷卻管路與整車其他系統連接。整車控制器根據加速踏板信號、制動踏板信號和擋位等信號通過CAN總線向電機控制器發送指令，實時調節驅動電機的輸出轉矩，以調整整車的低速、加速、停車和能量回收等功能。電機控制器能對自身的溫度、轉子位置進行實時監測，并把相關信息傳遞給整車控制器，進而調節水泵和電子冷卻風扇的工作，使驅動電機保持在理想的狀態。這就使目前電動車輛的行駛有D擋加速、E擋省電、制動能量回收、R擋倒車四種模式。

① D擋加速行駛。駕駛員打開上電開關，將擋桿置入D擋位置并踩下加速踏板，此時擋位信號和加速踏板信號傳遞給整車控制器，整車控制器把駕駛員的操作意圖通過CAN總線傳遞給電機控制器。再由電機控制器結合旋變傳感器（驅動電機的轉子位置信息），向驅動電機輸入三相電，三相電流在定子繞組上產生旋轉磁場，電磁力拖動轉子以同步轉速正向旋轉。隨著加速踏板行程不斷加大，電機控制器控制IGBT的導通頻率不斷上升，驅動電機的轉速隨著電流的增加而增加。在電動汽車上要求驅動電機的輸出功率保持恒定，電機控制器會通過電流傳感器和電壓傳感器，來計算當前的驅動電機功率，并把這些信息數據通過CAN總線發給儀表進行顯示。

② E擋省電行駛。E擋為能量回收行駛擋，與D擋的根本區別在于電機控制器與整車控制器的內部程序、控制策略目標不同。如果說D擋主要體現駕車時的動力加速性，那E擋主要體現節省電量以延長續駛里程，也稱為省電節能性。擋桿在D擋注重加速靈敏、響應較快，E擋則注重能量回收、放電平緩。當車輛高速行駛或下坡行駛時，松開加速踏板后驅動電機會被車輪反拖動成為發電機，此時由于發電反拖動消耗了部分機械能，牽制了車輛滑行起到了一定的降速制動的效果。駕駛時會發現E擋位比D擋位所滑行的距離明顯偏短。

③ 制動能量回收。當車輛行駛時松開加速踏板后，驅動電機在慣性的作用下仍在旋轉。當電機轉速下降至車輪轉速以下，車輪帶動電機旋轉，此時原來的驅動電機就變為發電機。動力電池管理系統（BMS）根據電池充電特性曲線（充電電流、電壓變化曲線和電池的容量關系）以及采集的電池溫度等參數，計算出相應的允許最大充電電流。電機控制器根據電池的最大允許充電電流控制IGBT模塊使充電機定子線圈旋轉磁場的角速度與電機轉子的角速度保持到發電電流不超過電池允許的最大充電電流，以調整發電機向動力電池充電的電流，同時也控制了車輛的減速度。當踩下加速踏板時反饋電流在驅動電機控制器的調節控制下充入高壓動力電池。當駕駛員感覺車速下降較慢制動效果不理想，繼續踩下制動踏板時液壓制動系統才進入工作狀態。

④ R擋倒車。當駕駛員打開上電開關，將擋桿置入R擋位置并踩下加速踏板，駕駛員的請求信號發給整車控制器，再通過CAN總線發給電機控制器，此時電機控制器結合旋變傳感器測得的驅動電機的轉子位置信息，通過改變IGBT模塊向驅動電機輸入三相電（W/V/U的通電順序），進而控制電機反向轉動，從而驅動車輛倒車行駛。