三、驱动电机及其控制器

1.驱动电机

(1)驱动电机主要性能指标　驱动电机的作用是将电源的电能转化为机械能,直接或通过传动装置驱动车轮和工作装置。适用于电力驱动的电动机可分为直流电动机(将直流电能转换为机械能的电动机)和交流电动机(将交流电能转换为机械能的电动机)两大类。目前在电动汽车上已应用的和有应用前景的有直流电动机、交流感应电动机、永磁无刷电动机、开关磁阻电动机等。

驱动电机的主要性能参数有类型、额定功率、额定电压、额定电流、额定效率、机械特性、额定频率、尺寸参数、质量参数、可靠性和成本等。

① 额定功率。指电动机在制造厂所规定的额定条件下运行时,其输出端的机械功率,单位一般为kW。

② 额定电压。是指电动机在额定条件下运行时,外加于定子绕组上的线电压,单位为V。一般规定电动机的工作电压不应高于或低于额定值的5%。当工作电压高于额定值时,电动机容易发热;当工作电压低于额定值时,会引起输出转矩减小,转速下降,电流增加,也会使绕组过热。

③ 额定电流。指电动机在额定电压和额定输出功率时定子绕组的线电流,单位为A。

④ 额定频率。我国电力网的频率为50Hz,因此除外销产品外,国内用的交流电动机额定频率均为50Hz。

⑤ 额定转速。指电动机在额定电压、额定频率下,输出端有额定功率输出时转子的转速,单位为r/min。电动汽车采用的感应电动机的额定转速一般为8000~12000r/min。

⑥ 额定效率。指电动机在额定条件下运行时的效率,是额定输出功率与额定输入功率的比值。电动机在其他工况运行时的最大效率为峰值效率,整体效率越高越好。电动汽车还需要在车辆减速和制动时实现能量回收,再生制动回收能量一般可达到总能量的10%~15%。

⑦ 额定功率因数。对于交流电动机,定子相电流比相电压滞后一个角φ,cosφ就是异步电动机的功率因数。三相感应电动机的功率因数较低,在额定负载时为0.7~0.9,而在轻载和空载时更低。因此,必须正确选择电动机的容量,防止出现“大马拉小车”的现象,并力求缩短空载时间。

⑧ 绝缘等级。绝缘等级是电动机绕组绝缘能力达到的等级数。绝缘等级是按电动机绕组所用的绝缘材料在使用时容许的极限温度来分级的。所谓极限温度,是指电动机绝缘结构中最热点的最高容许温度。绝缘等级与极限温度的对应关系见表1⁃4。

⑨ 功率密度。指单位质量电动机输出的功率,单位是kW/kg,功率密度越大越好。

⑩ 过载能力。指电动机在超过额定载荷(功率、转矩、电流等)条件下工作的能力。电动汽车电动机应具有较大的启动转矩和较大的调速性能,可以使汽车有良好的启动性和加速性,以获得所需要的启动、加速、行驶、减速、制动等的功率与转矩。

 其他指标。除了上面所述及的性能参数外,电动机还要求可靠性好,耐温和耐潮性好,运行噪声低,振动小,能够在较恶劣的环境下长期工作,结构简单,适合大批量生产,使用维修方便,性价比高,等。

(2)直流电动机　直流电动机是将直流电能转换为机械能的电动机。因其良好的调速性能而在电力驱动中得到广泛应用。

直流电动机主要由机座、电枢、主磁极、换向磁极、换向器、刷架、端盖、风扇、出线盒组成,如图1⁃30所示。

① 特点。

a.调速性能好。直流电动机可以在重负载条件下,实现均匀、平滑的无级调速,而且调速范围较宽。

b.启动转矩大。可以均匀而经济地实现转速调节,因此,凡是在重负载下启动或要求均匀调速的机械,如电动汽车都可用直流电动机驱动。

c.控制比较简单。一般用斩波器控制,它具有高效率、控制灵活、质量小、体积小、响应快等优点。

d.有易损件。由于存在电刷、换向器等易磨损器件,所以必须进行定期维护或更换。

② 分类。励磁直流电动机按励磁方式分为他励和自励两类,其中自励又分为并励、串励和复励3种。电动汽车上常用的有并励直流电动机和串励直流电动机。

③ 应用。并励直流电动机在早期电动汽车上应用较多,如五十铃Eif/Resort、大发Hijet Van、铃木奥拓等。

串励直流电动机是早期电动汽车上采用的电动机,低速时转矩较大,高速时励磁变弱,电动机仅采用电枢控制就可以进行转矩控制,十分简单。由于这种电动机的转矩特性与采用发动机的车辆的传动输出特性类似,故可得到近似等同的驾驶舒适性。但是由于其转速范围太小,因此必须具备传动装置。如斯巴鲁Samber EV Classic电动汽车即采用额定功率为25kW的恒转矩串励直流电动机作为驱动电机。

(3)三相感应电动机　三相感应电动机是靠同时接入380V三相交流电流(相位差120°)供电,定子与转子之间靠电磁感应作用,在转子内形成感应电流以实现机电能量转换的电机,也称为三相异步电动机。

三相感应电动机的种类虽然很多,但各类三相感应电动机的基本结构是相同的,它们都由定子和转子这两大基本部分组成,在定子和转子之间具有一定的气隙。此外,还有端盖、轴承、风扇、风扇罩、接线盒、吊环等其他附件,如图1⁃31所示。

① 特点。

a.优点。转子结构简单、坚固,容易做到高速和小型轻量化。弱磁控制与最大效率控制的同时使用可以达到比较高的效率。价格低,可靠性好。

b.缺点。由于励磁电流是必要的,因此会引起功率因数的恶化,特别是在低速区域,因数、效率恶化较为严重。另外,该种电动机进行转矩控制难度较大。

② 应用。作为汽车的驱动电机,小型轻量化很重要,而感应电动机的这一优点已经得到认可,故其在许多电动汽车中均有应用。如日产March EV、福特ETX⁃1、丰田Town Ace EV、三菱Rebel EV等电动汽车均应用了感应电动机作为驱动电机。

(4)永磁同步电动机　励磁直流电动机的缺点是有机械换向器,当在高速、大负载下运行时,换向器表面会产生火花,所以电动机的运转速度不能太高。由于直流电动机的换向器需保养,又不适合高速运转,除小型车外,目前一般已不采用。

永磁电动机就是采用永磁材料来替代励磁电动机的励磁绕组(或转子绕组)的电动机。永磁电动机分为永磁交流同步电动机和永磁直流电动机两种。

对于三相感应电动机,若采用永磁体取代其笼式感应转子,则相应的电动机就称为永磁同步电动机(PMSM)。为了克服磁通量不变的缺点,又在其转子中嵌入了笼式电磁绕组,称为永磁复合式电动机,它的特点是既有永磁体又有笼式绕组。

永磁同步电动机主要是由转子、端盖及定子等各部件组成。永磁同步电动机的定子结构与普通的感应电动机的结构非常相似,转子结构与异步电动机的最大不同是在转子上放有高质量的永磁体磁极。根据在转子上安放永磁体的位置的不同,永磁同步电动机通常分为表面式转子结构和内置式转子结构。

永磁体的放置方式对电动机性能影响很大。表面式转子是永磁体位于转子铁芯的外表面,这种转子结构简单,仅适合于启动要求不高的场合,很少应用。内置式转子是永磁体位于鼠笼导条和转轴之间的铁芯中,启动性能好,目前绝大多数永磁同步电动机都采用这种结构。永磁同步电动机的结构如图1⁃32所示。

① 优点。永磁电动机具有较高的比功率,体积更小,质量更小,比其他类型电动机的输出转矩更大,电动机的极限转速和制动性能也比较优异,因此永磁同步电动机已成为现今电动汽车应用最多的电动机。

② 缺点。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,有可能降低永磁电动机的性能。另外,稀土式永磁同步电动机要用到稀土材料,制造成本不太稳定。

③ 应用。永磁同步电动机在多数电动汽车中应用比较广泛,如宝马i3、奔驰Smart EV和三菱i MIEV等。

(5)永磁无刷直流电动机　如果将直流电动机的直流励磁绕组用永久磁铁代替,该电动机就称为永磁直流电动机。为了克服磁通量不变的缺点,又在其永磁定子中嵌入了激励磁场的电磁绕组,称为永磁复合式电动机,它的特点是既有永磁体又有励磁绕组。

永磁直流电动机分永磁有刷直流电动机和永磁无刷直流电动机。永磁有刷直流电动机广泛应用于小型电器之中。由于电刷和换向器的存在,永磁有刷直流电动机在维修、制造等方面都比永磁无刷直流电动机复杂,在应用中的换向火花、机械噪声等也使它难以在恶劣的环境下使用。而永磁无刷直流电动机由于没有电刷,弥补了传统直流电动机的缺陷。因此永磁无刷直流电动机越来越多地被应用在伺服系统、数控机床、变频空调以及电动汽车中。

永磁无刷直流电动机的结构如图1⁃33所示。三相对称定子绕组固定在定子上,转子上的电枢绕组用稀土永磁材料(钐钴、钕铁硼)取代。对于高速永磁无刷直流电动机,还需要加装非磁性护环。

永磁无刷直流电动机定子绕组的主要电气参数、绕组形式与绕线式三相同步电动机的定子绕组一样,各线圈依次通电即产生旋转磁场,如图1⁃34所示。

① 优点。

a.由于可以采用稀土磁铁等高性能永磁体,电动机可以实现较大的功率因数和较高的效率,特别是在低速时更明显。

b.能得到较高的磁通密度,可以制成小型高速电动机。

c.容易多极化,可以制成轮毂式电动机。

② 缺点。

a.在一定输出区域内,当励磁较弱时效率会恶化。近年来随着嵌入式磁铁的采用,这种恶化正慢慢得以解决。

b.磁铁材料价格较高,而且安装困难,永久磁铁在发热时容易产生减磁现象。

c.逆变器遭短路破坏会造成电动机端子短路,产生很大的制动力。

③ 应用。目前,电动汽车中使用的电动机,大都向永磁电动机阶段过渡,如日本丰田RAV4LV EV、本田EV PLUS等。

(6)开关磁阻电动机　开关磁阻电动机(SRM)是一种典型的机电一体化电动机,又称“开关磁阻电动机驱动系统(SRD)”,这种电动机主要由开关磁阻电动机本体、电力电子功率变换器(简称功率变换器)、转子位置传感器以及控制器四部分组成,如图1⁃35所示。

根据励磁方式,开关磁阻电动机分为励磁式和永磁式两种。

励磁式开关磁阻电动机本体采用定、转子双凸极结构,单边励磁,即仅定子凸极采用集中绕组励磁,而转子凸极上既无绕组也无永磁体。定、转子均由硅钢片叠压而成。定子绕组径向相对的极串联,构成一相。其结构原理如图1⁃36所示。

在励磁式开关磁阻电动机定子轭部位对称地嵌入高性能的钕铁硼永磁体,永磁体磁场与各相绕组的磁场共同组成新型电动机磁场,形成永磁式开关磁阻电动机(PMSRM)。

永磁式开关磁阻电动机也称为双凸极永磁电动机,可采用圆柱形径向磁场结构、盘式轴向磁场结构和环形横向磁场结构。该电动机在磁阻转矩的基础上叠加了永磁转矩,永磁转矩的存在有助于提高电动机的功率密度和减小转矩脉动,利于它在电动车辆驱动系统中的应用。它可以加速绕组换流速度,减小波动,提高能量利用率。

① 优点。

a.系统的调速范围宽。可以在低速下运行,也可以在高速下运行(最高转速可达15000r/min)。

b.结构简单、转子转动惯量小、成本低、动态响应快。

c.运行效率、可靠性等方面均优于感应电动机和同步电动机。

d.热量排放小,耐化学侵蚀能力强。可以在散热条件差、存在化学污染的环境下运行。

e.价格低,适宜大批量生产。

② 缺点。

a.磁能变化不大时效率恶化、噪声变大。

b.配套逆变器较其他类型的电动机结构复杂。

③ 应用。开关磁阻电动机适合要求低价格化、低速小型的电动汽车,目前由于缺点较多,在电动汽车中很少应用。但永磁开关磁阻电动机做成外转子电动机后,可应用于电动汽车的轮毂驱动系统。

(7)轮毂电机　电动汽车采用的轮毂式电机驱动属于分散式电机驱动模式。分散电机驱动通常有轮毂电机和轮边电机两种方式。所谓轮边电机驱动模式,是指每个驱动车轮由单独的电动机驱动,但是电动机不是集成在车轮内,而是通过传动装置(例如传动轴)连接到车轮。轮边电机驱动模式的驱动电机属于簧载质量范围,悬架系统隔振性能好。但是,安装在车身上的电动机对整车总布置的影响很大,尤其是在后轴驱动的情况下。而且,由于车身和车轮之间存在变形运动,其对传动轴的万向传动也具有一定的限制。因此目前分散电机驱动系统的发展方向是轮毂电机式。

① 结构形式。轮毂电机驱动系统根据电动机的转子形式分为内转子型和外转子型两种结构,如图1⁃37所示。通常,外转子型采用低速外转子电动机,电动机的最高转速为1000~1500r/min,无任何减速装置,电动机的外转子与车轮的轮辋固定或者集成在一起,车轮的转速与电动机相同。内转子型则采用高速内转子电动机,同时装备固定传动比的减速器,为了获得较高的功率密度,电动机的转速通常高达10000r/min,减速机构通常采用传动比在10∶1左右的行星齿轮减速装置。

轮毂电机驱动系统由于电动机电制动容量较小,不能满足整车制动效能的要求,通常需要附加机械制动系统。轮毂电机驱动系统中的制动器可以根据结构采用鼓式或者盘式制动器。电动机电制动容量的存在往往可以使制动器的设计容量适当减小。大多数的轮毂电机驱动系统采用风冷方式进行冷却,也有的采用水冷和油冷的方式对电动机、制动器等发热部件进行散热降温,但结构比较复杂。

② 优点。

a.可以完全省略传动装置,整体动力利用效率大大提高。

b.轮毂电动机使得整车总布置可以采用扁平化的底盘结构形式,车内空间和布置自由度得到极大的改善。

c.车身上几乎没有大功率的运动部件,整车的振动、噪声和舒适性得到极大改善。

d.便于实现四轮驱动形式,有利于极大地改善整车的动力性能。

e.轮毂电动机作为执行元件,利用响应速度快和准确的优点,便于实现包括线控驱动、线控制动以及线控整车动力学控制在内的整车动力学集成控制,提高整车的主动安全性。

③ 应用。应用轮毂电机驱动的典型电动汽车是日本东京电力IZA和国四电力的PIVOT。未来汽车发展方向为信息化、智能化和低碳化,四轮独立驱动(轮毂电机驱动)的电动汽车将是实现这一目标的最佳选择。

(8)电动机在电动汽车上的应用

① 应用于电动汽车的电动机性能比较。表1⁃5为现代电动汽车用电动机的性能比较。

② 世界电动汽车电动机应用情况。世界范围内的电动汽车,应用的主流电动机为永磁同步电动机,但也有应用交流异步电动机的车型。表1⁃6列举了世界知名电动汽车应用的电动机比较。

③ 我国电动汽车电动机应用情况。新能源汽车的快速发展,带动车用驱动电机市场规模迅速增长,以上海电驱动、精进电动、上海大郡、南车时代电动汽车为代表的国内主要驱动电机企业,在电动机制作工艺、原材料、关键零部件及系统集成技术等方面均有所突破,车用电动机及其控制系统产业链基本形成。这些企业在乘用车驱动电机系统和商用车驱动电机系统方面均推出多款驱动电机产品和样机,功率范围在42~200kW。

2015年,不同类型电动机配套车型及占比见表1⁃7。从表1⁃7中可以看出,永磁同步电动机、交流异步电动机、无刷直流电动机配套占比分别为69%、25%、6%。永磁同步电动机为我国驱动电机的主流技术产品。

2.电动机控制器

汽车电动机控制器通过把微电子器件和功率器件集成到同一芯片上,便成了功率集成电路(PIC),俗称“智能功率模块(IPM)”,其目的是进一步减小体积、降低成本并改善其可靠性。PIC可以包含功率模块、控制、保护、信息传递和制冷等。

PIC合成存在的主要问题是高电压和低电压器件的绝缘以及冷却问题。不过,在今后的发展中,这种技术是最有希望用于电动汽车驱动系统的,关键在于对器件的集成和包装。

汽车电动机控制器是由DSP电动机控制板、IGBT驱动电路板、IGBT(IPM)模块、控制电源、散热系统组成的,图1⁃38所示为典型的电机控制器内部结构图。

DSP接收整车控制器的指令并反馈信息,检测电动机系统内传感器信息,根据指令及传感器信息产生逆变器开关信号。

IGBT驱动电路用于接收DSP的开关信号并反馈相关信息,放大开关信号并驱动IGBT,提供电压隔离和保护功能。

控制电源为DSP提供电源,为驱动电路提供多路相互隔离的电源。

散热系统为电力电子模块散热,为控制器组件安装提供支撑,为控制器提供环境保护。

电动机控制器主要实现以下功能。

① 怠速控制(爬行)。

② 控制电动机正反转,以实现电动汽车的前进和倒车。

③ 控制能量回馈(交流电转换为直流电)。

④ 驻坡(防溜车)。

⑤ 通信和保护。实时进行状态和故障检测,保护驱动电机系统和故障反馈。