电动汽车驱动电机系统

**章 绪论 　　一、概述 　　驱动电机系统是电动汽车的核心部件，其性能和可靠性直接决定了整车的性能和可靠性。驱动电机系统的功能如下： 　　（1）牵引工况：将储能系统的电能转换成机械能，通过机械传动系统转换成车辆的动能，驱动车辆前进。 　　（2）制动工况（能量回馈工况）：将车辆运行的机械能（动能）转换成电能，给储能系统充电。 　　根据《电动汽车用驱动电机系统 第1部分：技术条件》（GB/T 18488.1—2015），驱动电机系统的定义为：驱动电机、驱动电机控制器以及它们工作必需的辅助装置的组合。 　　（1）驱动电机：将电能转换成机械能为车辆行驶提供驱动动力的电气装置，该装置也可具备机械能转换成电能的功能。 　　（2）驱动电机控制器：控制动力电源与驱动电机之间进行 　　能量传递的装置，由控制信号接口电路、驱动电机控制电路和驱动电路组成。 　　（3）辅助装置：一般包括驱动电机系统的冷却装置以及电机控制器与驱动电机之间的功率电缆线和控制电缆线。 　　图1-1为典型的驱动电机系统构成。其中驱动电机和电机控制器是两个重要的部件。 　　图1-1 驱动电机系统构成 　　二、电动汽车对驱动电机系统的要求 　　驱动电机系统安装在车辆上，为车辆提供动力，是车载电气设备，其对电动汽车的重要性类同于发动机对传统汽车的重要性。从该层面上讲，电动汽车对驱动电机系统的要求体现在传统汽车的“通用要求”和电动汽车的“特殊要求”两个方面。 　　为满足传统汽车的“通用要求”，要求驱动电机系统： 　　（1）具有良好的牵引-制动特性，即具有在整个储能系统的电压（驱动电机系统直流母线电压）范围内保证车辆爬坡、加速以及*高车速下的剩余加速度和制动减速度的转矩-转速特性（牵引工况和制动工况）。 　　（2）与传统发动机相同的可靠性。可靠性是电动汽车的重要指标，作为车载设备的驱动电机系统，其可靠性要求应与传统汽车零部件相同。 　　（3）驱动电机系统及其零部件的寿命与整车寿命相同，即在整车全生命周期内驱动电机系统及其零部件不能更换，只能进行适当的维护。 　　（4）良好的环境适应性，即能适应汽车的全候性以及路面引起的冲击振动。与传统汽车一样，装载在电动汽车上的驱动电机系统的环境条件较差，主要表现在高温、低温、高低温冲击、雨、雪、水、潮气、盐雾等侵蚀以及冲击振动等。 　　（5）满足整车“舒适性”的要求，即振动噪声小。 　　（6）价格合理，经济性好且适合于批量生产。 　　为满足电动汽车的“特殊要求”，要求驱动电机系统： 　　（1）整个运行范围内的高效率。电动汽车由“能量有限”的储能系统（电池组或燃料电池等）供电，因此为保障电动汽车的续驶里程，驱动电机系统本身的能量消耗量应*小，即具有在整个运行范围内的高效率。 　　（2）体积小、重量轻，即具有较高的体积密度和功率/转矩密度。由于汽车的安装空间紧张，要求驱动电机系统体积小，而过大的驱动电机系统重量不仅增加整车重量而消耗能量，还可能引发较大的冲击振动。 　　（3）具有良好的安全性。驱动电机系统一般电压较高，超过了人体的安全电压，因此为了保证人身的“电气安全”，驱动电机系统必须具有良好的高压安全功能。另外，作为依靠“控制系统”进行车辆操控的电气设备，防止“误操作”和“冗余”的功能安全也是保证运行安全的重要手段。 　　（4）具有良好的电磁兼容性。在驱动电机系统中，存在高压和低压等电路，这些电路可能对外围设备产生电磁干扰，同时车载设备也可能对驱动电机系统产生电磁干扰。这些干扰是影响驱动电机系统和整车可靠运行的危害因素。 　　（5）具有良好的可控性、稳态精度和动态性能。 　　（6）对机械传动装置的冲击小，即驱动电机系统的转矩脉动小，稳定性良好。 　　总体来讲，电动汽车对驱动电机系统的要求可以概括为6H1L：6H为高功率密度（high power density）、高体积密度（high volume density）、高效率（high efficiency）、高可靠性（high reliability）、高品质（high quality）和高安全性（high safety），其中高品质指低振动噪声、低转矩脉动和良好的电磁兼容性；1L为低成本（low cost）。 　　三、驱动电机类型 　　经过100余年的发展，电机技术的基本理论已经相当成熟，电机类型也基本定型。但在所有类型的电机中适合“牵引”和“车载”的基本电机类型也只有以下几类：直流电机、异步电机、永磁同步电机、电励磁同步电机和开关磁阻电机。 　　从20世纪90年代开始，随着电动汽车行业的兴起，各研究机构对这些类型的电机在电动汽车中的应用进行了大量的研究、试验和实践工作，图1-2为不同类型电机在电动汽车中的应用历史图谱。 　　图1-2 不同类型电机在电动汽车的应用历史图谱 　　1）直流电机 　　早期的电动汽车用驱动电机大多数采用直流电机，其属于**代驱动电机。 　　直流电机具有优良的转矩特性，控制装置简单，控制部分成本低。但因为采用了换向器和电刷，电机结构复杂、转速受限、可靠性较低、功率密度不高，目前直流电机已完全退出市场。 　　2）异步电机 　　鼠笼式异步电机属于第二代驱动电机，是伴随着开关器件和控制技术的进步而发展的。异步电机具有结构简单、经济性好、可靠性高、功率密度和体积密度较高、能经受大幅度的工作温度变化、环境适应能力强等特点，21世纪初在市场上得到了普遍应用。但相比于永磁同步电机，异步电机功率因数、效率和功率密度较低，同时由于转子上较大的损耗，存在转子和轴承温度较高等问题，目前已逐步被永磁同步电机所取代，尤其是在乘用车应用领域。 　　3）永磁同步电机 　　永磁同步电机属于第三代驱动电机，是伴随着永磁材料的产业化、开关器件和永磁电机控制及设计制造技术的不断成熟而发展起来的。永磁同步电机具有高效节能、功率和体积密度高等优点，目前在电动汽车上，尤其是在乘用车领域得到了广泛的应用。但永磁同步电机也有制造工艺复杂、成本较高、弱磁能力差和环境适应性相对较差等不足之处。 　　4）电励磁同步电机 　　电励磁同步电机是伴随着永磁同步电机的发展而出现的一种驱动电机类型，主要出发点是不采用永磁同步电机所必需的“稀缺资源”——永磁体，并且可以通过调节励磁电流大小来控制励磁强度从而实现弱磁，而不像永磁同步电机那样只能通过增加定子电流的去磁分量来实现弱磁，弱磁能力强。但电励磁同步电机必须通过电刷和滑环（有刷电机）或者集成的整流装置（无刷电机）或者采用感应供电模式将直流电施加在转子上，其可靠性和可维护性较差，而且转子上也存在损耗，电机整体效率低。因此只有少数公司在早期采用该技术路线，如德国大陆集团公司（Continental AG，以下简称大陆公司）和瑞士Brusa电气公司（Brusa Elektronik AG，以下简称Brusa公司）。大陆公司在**代和第二代驱动电机系统上采用这种电励磁同步电机，但第三代驱动电机系统已摒弃了该类型电机。 　　5）开关磁阻电机 　　开关磁阻电机具有结构及工艺简单及较好的经济性等优点，一度被认为是一种“理想”的驱动电机，但到目前为止，其振动和噪声大的“致命”问题尚未得到根本解决，而且控制技术复杂，电机功率密度较低，其应用和发展受到很大的制约。 　　目前尚无一款开关磁阻电机在市场上得到批量应用。 　　表1-1给出了上述几种电机优缺点的比较。由于开关磁阻电机的局限性，不对该类型电机进行比较。 　　通过不断地实践和筛选，在五种类型的电机中，目前大批量应用的是永磁同步电机和异步电机，其中永磁同步电机占主流。这两种类型的电机各有优劣，但也没有绝对的好坏，因此根据车辆的定位不同、性能需求不同，可以选择不同的电机类型。这也与燃油车一样，不同价位、级别的车型采用的动力方案也不尽相同。每款车型如何选择电机类型，需要从成本、性能和耐用性等方面综合考量。 　　表1-1 不同类型驱动电机的优缺点比较 　　四、驱动电机系统的工作特点及工作制 　　1. 作为车载设备的工作特点 　　作为车载设备，驱动电机系统运行的环境条件较差，与车辆所面临的严酷环境条件相同，如高海拔、高温、低温、高湿度、高冲击振动和较严重的化学污染等。 　　第三章将详细介绍这些环境条件及其对驱动电机系统的影响。驱动电机系统的一个基本要求就是对这些恶劣环境具有良好的适应性。 　　2. 作为牵引设备的工作特点 　　作为牵引设备，其运行负载条件和运行工况与传统工业电机系统相比，存在很大的差别。对于大多数工业电机系统，其负载和转速是不变的，而驱动电机系统的运行特点则完全不同。 　　驱动电机系统的转矩-转速特性是驱动电机系统的*基本特性，也是车辆动力性能的基本保证。该特性能保证车辆的加速性能、爬坡性能和*高速度下的性能，但驱动电机系统实际上并不是沿着其*大转矩-转速曲线的包络线运行，而是根据线路条件等因素“无规律”地运行，其运行特点为：负荷随时间不断变化，启动、制动频繁。典型的运行模式为：启动加速-恒速运行-惰行-制动减速-停车。其中“惰行”是指电动汽车在运行中，驾驶员不踩油门，让汽车自然滑行并减速运行，此时驱动电机系统不从储能系统吸收任何能量。 　　图1-3为某台8.5m公交客车用驱动电机在中国城市公交工况（China city bus cycle，CCBC）下的电机转矩、功率与时间之间的关系曲线[1]。为保证整车*高速度70km/h、*大爬坡度15%和15s的0～50km/h的加速时间，要求驱动电机的峰值功率为150kW、峰值转矩为1800Nm、*高转速为7000r/min（图1-4）。从图1-3可以看出，驱动电机大部分运行功率和转矩均小于其峰值。驱动电机系统这种工作模式对应的工作制为《旋转电机 定额和性能》（GB/T 755—2019）规定的S9工作制（参见图1-5），即负载和转速做非周期变化的工作制。 　　图1-3 某驱动电机在中国城市公交工况下的负载变化情况 　　图1-4 用于8.5m公交客车的驱动电机转矩-转速（T-n）特性 　　图1-5 S9工作制 　　工作制是指“驱动电机系统所承受的一系列负载状况的说明，包括起动、电制动、空载、停机断能及其持续时间和先后顺序等”。根据GB/T 755—2019，共有十种工作制，即连续工作制（S1）、短时工作制（S2）、断续周期工作制（S3）、包括起动的断续周期工作制（S4）、包括电制动的断续周期工作制（S5）、连续周期工作制（S6）、包括电制动的连续周期工作制（S7）、包括负载-转速响应变化的连续周期工作制（S8）、负载和转速做非周期变化的工作制（S9）和离散恒定负载和转速工作制（S10）。 　　五、驱动电机系统的关键技术指标 　　1. 转矩-转速特性和功率-转速特性 　　图1-6为驱动电机系统在某一直流母线电压下的转矩-转速特性和功率-转速特性，包括牵引工况和制动工况。牵引工况下的转矩-转速特性或者功率-转速特性应满足车辆的以下动力性能要求： 　　（1）加速性能。 　　（2）爬坡性能。 　　（3）*高速度下的剩余加速度。 　　对于电动汽车的应用，一般情况下，牵引工况下的转矩和功率均大于制动工况下的转矩和功率。因此用牵引工况下转矩-转速特性中的以下四个指标作为转矩-转速特性的表征指标： 　　（1）峰值功率Pmax。 　　（2）峰值转矩Tmax。 　　（3）恒功功率Pc。