第3章　電動汽車電機系統

3.1　概述

電動汽車的電動機驅動控制系統是車輛行駛中的主要執行機構，是電動汽車的重要部件，其驅動特性是汽車行駛的主要性能指標。電動汽車中的燃料電池電動汽車、混合動力電動汽車和純電動汽車都需要使用電動機來驅動車輪行駛。選擇合適的電動機是提高各類電動汽車性價比的重要途徑，因此研發或完善能同時滿足車輛行駛過程中的各項性能要求，并具有堅固耐用、造價低、效能高等特點的電動機驅動方式顯得極其重要。這也是提高電動汽車性價比而使其盡快普及應用、做好節能減排工作的有效途徑。

3.1.1　電動機分類

電動機是一種將電能轉化成機械能，再使機械能產生動能，用來驅動其他裝置的電氣設備，俗稱馬達，在電路中用字母“M”（舊標準用“D”）表示。

電動機的分類標準不同，分類內容也各不相同。一般電動機主要按電源種類、結構和工作原理、啟動與運行方式、用途、轉子的結構、運轉速度等標準劃分。

（1）按工作電源種類劃分　按工作電源種類劃分，電動機可分為直流電動機和交流電動機。

①直流電動機按結構及工作原理可分為無刷直流電動機和有刷直流電動機。有刷直流電動機可分為永磁直流電動機和電磁直流電動機。電磁直流電動機可分為串勵直流電動機、并勵直流電動機、他勵直流電動機和復勵直流電動機。永磁直流電動機可分為稀土永磁直流電動機、鐵氧體永磁直流電動機和鋁鎳鈷永磁直流電動機。

②交流電動機可分為單相電動機和三相電動機。

（2）按結構和工作原理劃分　按結構和工作原理劃分，電動機可分為直流電動機、異步電動機、同步電動機。

①同步電動機可分為永磁同步電動機、磁阻同步電動機和磁滯同步電動機。

②異步電動機可分為感應電動機和交流換向器電動機。感應電動機可分為三相異步電動機、單相異步電動機和罩極異步電動機等。交流換向器電動機可分為單相串勵電動機、交直流兩用電動機和推斥電動機。

（3）按啟動與運行方式劃分　按啟動與運行方式劃分，電動機可分為電容啟動式單相異步電動機、電容運轉式單相異步電動機、電容啟動運轉式單相異步電動機和分相式單相異步電動機。

（4）按用途劃分　按用途劃分，電動機可分為驅動用電動機和控制用電動機。

①驅動用電動機分為電動工具（包括鉆孔、拋光、磨光、開槽、切割、擴孔等的工具）用電動機、家電（包括洗衣機、電風扇、電冰箱、空調器、錄音機、錄像機、影碟機、吸塵器、照相機、電吹風、電動剃須刀等）用電動機及其他通用小型機械設備（包括各種小型機床、小型機械、醫療器械、電子儀器等）用電動機。

②控制用電動機可分為步進電動機和伺服電動機等。

（5）按轉子的結構劃分　按轉子的結構劃分，電動機可分為籠形感應電動機（舊標準稱為鼠籠形異步電動機）和繞線轉子感應電動機（舊標準稱為繞線形異步電動機）。

（6）按運轉速度劃分　按運轉速度劃分，電動機可分為高速電動機、低速電動機、恒速電動機、調速電動機。低速電動機又分為齒輪減速電動機、電磁減速電動機、力矩電動機和爪極同步電動機等。調速電動機除可分為有級恒速電動機、無級恒速電動機、有級變速電動機和無級變速電動機外，還可分為電磁調速電動機、直流調速電動機、PWM變頻調速電動機和開關磁阻調速電動機。

異步電動機的轉子轉速總是略低于旋轉磁場的同步轉速。同步電動機的轉子轉速與負載大小無關而始終保持為同步轉速。

3.1.2　電動汽車電動機的要求

電動汽車上使用的電動機個數很多，種類也不盡相同，可以說電動機及其控制器是電動汽車的心臟。根據電動汽車電動機是否直接用于驅動電動汽車行駛，可以將其分為牽引電動機和輔助電動機。牽引電動機及其控制系統（電動機驅動系統）是電動汽車中最為關鍵的系統，其類型和運行性能決定了電動汽車的運行性能。牽引電動機的功能是在駕駛員的操作下，能夠按照駕駛員的意圖高效地將電能轉化為電動汽車車輪的動能，或者相反，將電動汽車車輪動能轉化為電能。

非牽引電動機輔助電動汽車安全可靠地運行，并改善乘坐的舒適度。例如，散熱風扇保證控制器或其他部件在適宜運行的工況下，穩定可靠地運行；電動轉向泵使車輛轉向更加靈敏和安全；電控空調系統控制電動汽車內溫度，在炎炎夏日給人帶來清涼。可以說，非牽引電動機也是電動汽車中必不可少的部件，沒有非牽引電動機，電動汽車的安全可靠運行和舒適乘坐將難以保證。

由于電動汽車本身的特殊性，對電動機也提出了特殊的要求，主要包括安全性好，可靠性高，穩定性強，壽命長，價格低，體積小，重量輕，效率高。牽引電動機作為動力源，安裝在機動車上，處于空間小、溫差變化大、振動劇烈的惡劣環境中，必須滿足各種路況要求。

①在市區行駛時，需要頻繁地啟動、停車、加速、減速，因此要求電動汽車的電動機有很好的轉矩控制動態性能。

②在市區和市郊兩種不同工況行駛時，電動汽車電動機的速度、轉矩變化范圍比較大，這要求電動汽車的電動機既要工作在恒轉矩區，又要運行在恒功率區。恒轉矩運行滿足啟動和爬坡，恒功率運行用來滿足高速行駛。

③由于電動汽車車載能源的限制，目前無論是純電動汽車還是燃料電池電動汽車，車載能源是其續駛能力的關鍵制約因素，所以要求電動汽車電動機能夠在大范圍內保持高效率運行，盡可能地提高其功率密度。這與一般工業電動機所要求的在額定功率附近高效運行不同。

④減小了電動汽車電動機的重量、體積，增加了與車體的適配性，減小了整車的總重量，擴大了車體可利用空間，增加了乘坐的舒適性。

⑤由于汽車本身運行環境的惡劣，GB/T 18488.1—2006規定：大氣環境溫度在-20～40℃時，電動機及其控制器能按規定的定額運行。事實上，汽車本身運行的環境比這個更惡劣。電動汽車的電動機應考慮汽車本身行駛的區域環境，如熱帶氣候、雨雪天氣、不同海拔等。

⑥瞬時功率高，有一定的過載能力。電動汽車的牽引電動機要求有4～5倍的過載能力，以滿足加速和爬坡的需要，這高于工業要求的2倍過載能力。此外，電動機的可靠性要好，需要有一定的抗震能力。

⑦電動機應重量輕、體積小、成本低，而且還應考慮產品的實用性，應易于產業化，而且便于拆卸維修。

⑧電動汽車的驅動系統必須符合車輛電氣控制系統的安全性標準和電氣安全標準。

3.1.3　電動汽車電動機的基本組成

電動汽車的整個驅動系統包括電動機驅動系統與其機械傳動機構兩大部分。電動機驅動系統的基本組成框圖如圖3-1所示。它主要由電動機、功率轉換器、控制器、各種檢測傳感器以及電源（蓄電池組）等組成。電動機一般要求具有電動與發電兩項功能，即有四象限運行特性，按其類型可選用直流、交流、永磁無刷或開關磁阻等幾種電動機。功率轉換器按所選電動機類型，有DC/DC功率變換器以及DC、AC功率變換器等形式，其作用是按所選電動機驅動電流要求，將蓄電池的直流電轉換為相應電壓等級的直流、交流或脈沖電源。各種檢測傳感器主要有電壓、電流、速度、轉矩以及溫度等檢測反饋，其作用是為提高和改善電動機的調速特性。對永磁無刷電動機或開關磁阻電動機，還要求有電動機轉角位置檢測。由于所選電動機類型不同，其控制驅動方式也不同，具體將在后述各節針對電動機類型再作詳細介紹。控制器是按駕駛員操縱擋位桿、加速踏板和制動踏板等輸入的前進、倒退、起步、加速、制動等信號，以及各種檢測傳感器反饋的信號，通過運算、邏輯判斷、分析比較等適時向功率轉換器發出相應的指令，使整個驅動系統有效運行。

3.1.4　電動汽車驅動電動機的發展趨勢

（1）混合動力車中電驅動所占比例變高　隨著國家對環境問題的重視，汽車的節能減排能力便越加重要。在混合動力車中，電驅動所占比例越高，汽車節能性能越強。電驅動已不再是發動機的附屬設備，而是汽車的重要動力來源。

（2）電動機驅動系統的集成化和一體化　電動汽車電動機和控制系統的集成化體現在電動機與發動機、電動機與變速箱以及電動機與底盤系統的集成度越來越高。當前混合發動機集成的發展從結構的集成到控制和系統的集成，電動機與變速箱基本成為一體，電氣化在汽車中體現得越來越明顯。在高性能電動汽車中，底盤系統、制動系統、電動機傳動系統已經實現一體化集成，并且各部分之間融合得非常好。

（3）電動機的永磁化　由于永磁電動機轉矩、功率密度高，啟動轉矩大，設計永磁電動機時，電動機氣隙長度是個比較關鍵的變量，通過選擇優化，可以獲得更好的電磁性能。在同樣的設計要求下，永磁電動機的材料用量可以大幅節省。永磁電動機在輕載運行情況下仍能保持較高效率和功率因數。由于其轉子無繞組，沒有電阻損耗，電動機效率也得以提高。近些年來隨著計算機硬件和軟件的飛速發展，永磁電動機的理論分析、電磁設計、制造工藝、控制策略有顯著進步，永磁電動機設計制造也形成了一套完整的體系。

隨著材料技術的迅猛發展，永磁材料在近些年也得到了極大的突破，尤其是稀土永磁材料具有十分優越的磁性能。經過行業多年的研究及電動機制造技術探索，永磁電動機的制造成本大幅降低，永磁電動機已成為電動汽車驅動電動機領域研究的熱點。

（4）電動機控制的集成化和數字化　隨著車用電控制系統集成化程度不斷加深，將電動機控制器、低壓DC/AC變換器以及發動機控制器、變速箱控制器、整車控制器等進行不同方式的集成正在成為發展趨勢。同時，高速、高性能微處理器使得電驅動控制系統進入一個全數字化時代。在高速、高性能的數字控制芯片的基礎上，高性能的控制算法、復雜的控制理論得以實現。同時，使用面向用戶的可視化編程，通過代碼轉化和下載直接進入微處理，將進一步提高編程效率和可調試性。

（5）電動機功率和功率密度的提高　電動機作為驅動系統中重要的動力來源，其運行性能直接影響到電動汽車在整個汽車行業中的競爭力。隨著人們對電動汽車要求的逐漸提高，電動汽車的電動機功率已經從幾千瓦提高到了幾十千瓦甚至更高。同時，隨著生活水平的不斷提高，人們對舒適度的要求也逐步提升，這就對電動汽車內部空間提出了更高的要求，電動機變得越來越小巧，功率密度不斷提高。

（6）電動機運行轉速和回饋制動效率的提高　回饋制動是混合動力機電一體化技術的特征之一。使用高效的回饋制動電動機，同時使用特殊的調速系統和電能管理系統，使電動機能適應多種不同工況，讓電動汽車可以更加節能，延長行車里程，從而使電動汽車對消費者更具吸引力。