新能源汽車(chē)四種常用電機驅動(dòng)系統詳解

我國車(chē)用電機在全球資源條件下具有明顯的比較優(yōu)勢，發(fā)展潛力較大。從新能源汽車(chē)的產(chǎn)業(yè)鏈來(lái)看，受益端將主要集中在核心零部件領(lǐng)域。國內車(chē)用驅動(dòng)電機行業(yè)現狀：電機業(yè)中的小行業(yè)、但制造門(mén)檻高，電機驅動(dòng)系統還存在較多差距與不足，但國內政策扶持將加快產(chǎn)業(yè)步伐。

作為新能源汽車(chē)的核心部件(電池、電機、電控)之一，圖1，驅動(dòng)電機及其控制系統未來(lái)發(fā)展前景可觀(guān)。

驅動(dòng)電機系統簡(jiǎn)介

新能源汽車(chē)具有環(huán)保、節約、簡(jiǎn)單三大優(yōu)勢。在純電動(dòng)汽車(chē)上體現尤為明顯：以電動(dòng)機代替燃油機，由電機驅動(dòng)而無(wú)需自動(dòng)變速箱。相對于自動(dòng)變速箱，電機結構簡(jiǎn)單、技術(shù)成熟、運行可靠。

傳統的內燃機能高效產(chǎn)生轉矩時(shí)的轉速限制在一個(gè)窄的范圍內，這就是為何傳統內燃機汽車(chē)需要龐大而復雜的變速機構的原因；而電動(dòng)機可以在相當寬廣的速度范圍內高效產(chǎn)生轉矩，在純電動(dòng)車(chē)行駛過(guò)程中不需要換擋變速裝置，操縱方便容易，噪音低。

與混合動(dòng)力汽車(chē)相比，純電動(dòng)車(chē)使用單一電能源，電控系統大大減少了汽車(chē)內部機械傳動(dòng)系統，結構更簡(jiǎn)化，也降低了機械部件摩擦導致的能量損耗及噪音，節省了汽車(chē)內部空間、重量。電機驅動(dòng)控制系統是新能源汽車(chē)車(chē)輛行使中的主要執行結構，驅動(dòng)電機及其控制系統是新能源汽車(chē)的核心部件(電池、電機、電控)之一，其驅動(dòng)特性決定了汽車(chē)行駛的主要性能指標，它是電動(dòng)汽車(chē)的重要部件。

電動(dòng)汽車(chē)中的燃料電池汽車(chē)FCV、混合動(dòng)力汽車(chē)HEV和純電動(dòng)汽車(chē)EV三大類(lèi)都要用電動(dòng)機來(lái)驅動(dòng)車(chē)輪行駛，選擇合適的電動(dòng)機是提高各類(lèi)電動(dòng)汽車(chē)性?xún)r(jià)比的重要因素，因此研發(fā)或完善能同時(shí)滿(mǎn)足車(chē)輛行駛過(guò)程中的各項性能要求，并具有堅固耐用、造價(jià)低、效能高等特點(diǎn)的電動(dòng)機驅動(dòng)方式顯得極其重要。

驅動(dòng)電機系統是新能源車(chē)三大核心部件之一。電機驅動(dòng)控制系統是新能源汽車(chē)車(chē)輛行使中的主要執行結構，其驅動(dòng)特性決定了汽車(chē)行駛的主要性能指標，它是電動(dòng)汽車(chē)的重要部件。電動(dòng)汽車(chē)的整個(gè)驅動(dòng)系統包括電動(dòng)機驅動(dòng)系統與其機械傳動(dòng)機構兩個(gè)部分。電機驅動(dòng)系統主要由電動(dòng)機、功率轉換器、控制器、各種檢測傳感器以及電源等部分構成，結構如下圖2所示。

電動(dòng)機一般要求具有電動(dòng)、發(fā)電兩項功能，按類(lèi)型可選用直流、交流、永磁無(wú)刷或開(kāi)關(guān)磁阻等幾種電動(dòng)機，如圖3。功率轉換器按所選電機類(lèi)型，有DC/DC功率變換器、DC/AC功率變換器等形式，其作用是按所選電動(dòng)機驅動(dòng)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。

電機是應用電磁感應原理運行的旋轉電磁機械，用于實(shí)現電能向機械能的轉換。運行時(shí)從電系統吸收電功率，向機械系統輸出機械功率。電機驅動(dòng)系統主要由電機、控制器(逆變器)構成，驅動(dòng)電機和電機控制器所占的成本之比約為1:1，根據設計原理與分類(lèi)方式的不同，電機的具體構造與成本構成也有所差異。電機的控制系統主要起到調節電機運行狀態(tài)，使其滿(mǎn)足整車(chē)不同運行要求的目的。針對不同類(lèi)型的電機，控制系統的原理與方式有很大差別。

圖2 電動(dòng)機驅動(dòng)系統的基本組成框圖

圖3 電機的分類(lèi)(按原理)

電動(dòng)汽車(chē)對驅動(dòng)電機的基本要求

比較四種常用電機驅動(dòng)系統的應用以及優(yōu)缺點(diǎn)等。

1.電動(dòng)汽車(chē)電機的基本要求有以下幾點(diǎn)：

(1)電機結構緊湊、尺寸小，封裝尺寸有限，必須根據具體產(chǎn)品進(jìn)行特殊設計。

(2)重量輕，以減輕車(chē)輛的整體重量。應盡量采用鋁合金外殼，同時(shí)轉速要高，以減輕整車(chē)的質(zhì)量，增加電機與車(chē)體的適配性，擴大車(chē)體可利用空間，從而提高乘坐的舒適性。

(3)可靠性高、失效模式可控，以保證乘車(chē)者的安全。

(4)提供精確的力矩控制，動(dòng)態(tài)性能較好。

(5)效率高，功率密度較高。要保證在較寬的轉速和轉矩范圍內都有很高的效率，以降低功率損耗，提高一次充電的續駛里程。

(6)成本低，以降低車(chē)輛生產(chǎn)的整體費用。

(7)調速范圍寬。應包括恒轉矩區和恒功率區，低速運行輸出的恒定轉矩大，以滿(mǎn)足汽車(chē)快速啟動(dòng)、加速、負荷爬坡等要求；高速運行輸出恒定功率，有較大的調速范圍，以滿(mǎn)足平坦的路面、超車(chē)等高速行駛的要求。

(8)瞬時(shí)功率大，過(guò)載能力強。要保證汽車(chē)具有4~5倍的過(guò)載能力，以滿(mǎn)足短時(shí)內加速行駛與最大爬坡的要求。

(9)環(huán)境適應性好。要適應汽車(chē)本身行駛的不同區域環(huán)境，即使在較惡劣的環(huán)境中也能夠正常工作，具有良好的耐高溫、耐潮濕性能。

(10)制動(dòng)再生效率高。在汽車(chē)減速時(shí)，能夠實(shí)現反饋制動(dòng)，將能量回收并反饋回電池，使得電動(dòng)汽車(chē)具有最佳能量利用率。

(11)其他。結構簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，適合大批量生產(chǎn)，運行時(shí)噪聲低，使用維修方便。
(12)與一般工業(yè)用電機不同，用于汽車(chē)的驅動(dòng)電機應具有調速范圍寬、起動(dòng)轉矩大、后備功率高、效率高的特性，此外，還要求可靠性高、耐高溫及耐潮、結構簡(jiǎn)單、成本低、維護簡(jiǎn)單、適合大規模生產(chǎn)等。未來(lái)我國電動(dòng)汽車(chē)用驅動(dòng)電機系統將朝著(zhù)永磁化、數字化和集成化方向發(fā)展。

2、異步電動(dòng)機(感應電動(dòng)機)在新能源汽車(chē)中的應用

(1)異步電動(dòng)機介紹

感應電動(dòng)機又稱(chēng)“異步電動(dòng)機”，即轉子置于旋轉磁場(chǎng)中，在旋轉磁場(chǎng)的作用下，獲得一個(gè)轉動(dòng)力矩，因而轉子轉動(dòng)。轉子是可轉動(dòng)的導體，通常多呈鼠籠狀。定子是電動(dòng)機中不轉動(dòng)的部分，主要任務(wù)是產(chǎn)生一個(gè)旋轉磁場(chǎng)。旋轉磁場(chǎng)并不是用機械方法來(lái)實(shí)現。而是以交流電通于數對電磁鐵中，使其磁極性質(zhì)循環(huán)改變，故相當于一個(gè)旋轉的磁場(chǎng)。這種電動(dòng)機并不像直流電動(dòng)機有電刷或集電環(huán)，依據所用交流電的種類(lèi)有單相電動(dòng)機和三相電動(dòng)機。

(2)異步電動(dòng)機的特點(diǎn)

異步電動(dòng)機有下面的優(yōu)點(diǎn)：結構緊湊、堅固耐用；運行可靠、維護方便；價(jià)格低廉，體積小、質(zhì)量輕；環(huán)境適應性好；轉矩脈動(dòng)低，噪聲低。交流異步電動(dòng)機成本低而且可靠性高，逆變器即便損壞而產(chǎn)生短路時(shí)也不會(huì )產(chǎn)生反電動(dòng)勢，所以不會(huì )出現急剎車(chē)的可能性。

因此，廣泛應用于大型高速的電動(dòng)汽車(chē)中。三相籠型異步電動(dòng)機的功率容量覆蓋面很廣，從零點(diǎn)幾瓦到幾千瓦。它可以采用空氣冷卻或液體冷卻方式，冷卻自由度高、對環(huán)境的適應性好，并且能夠實(shí)現再生制動(dòng)。與同樣功率的直流電動(dòng)機相比較，效率較高、重量約要輕一半左右。

同時(shí)它有下面的缺點(diǎn)：功率因數低，運行時(shí)必須從電網(wǎng)吸收無(wú)功電流來(lái)建立磁場(chǎng)；控制復雜，易受電機參數及負載變化的影響；轉子不易散熱；調速性能差，調速范圍窄。

優(yōu)勢分析：新能源汽車(chē)專(zhuān)用的電動(dòng)機，通過(guò)從電池中獲取有限的能量產(chǎn)生動(dòng)作，所以要求其在各種環(huán)境下的效率都要很好。因而，在性能上要求比一般工業(yè)用的電動(dòng)機更加嚴格。適合作為電動(dòng)汽車(chē)專(zhuān)用的電機需要滿(mǎn)足幾個(gè)特性：由高速化而生的小型輕量化(堅固性)、高效性(一次充電后的續駛里程長(cháng))、低速大轉矩情況下的大范圍內的恒定輸出特性、壽命長(cháng)以及高可靠性、低噪聲性和成本低廉。但是現實(shí)中全部滿(mǎn)足以上幾個(gè)特性的電機還未被開(kāi)發(fā)出來(lái)。目前更適于新能源汽車(chē)的電機是交流異步電機和PM電動(dòng)機。

(3)異步電動(dòng)機的控制系統

由于交流三相感應電機不能直接使用直流電，因此需要逆變裝置進(jìn)行轉換控制。新能源汽車(chē)減速或制動(dòng)時(shí)，電機處在發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)，給蓄電池充電，實(shí)現機械能轉換為電能。在新能源汽車(chē)上，由功率半導體器件構成的PWM功率逆變器把蓄電池電源提供的直流電變換為頻率和幅值都可以調節的交流電。

三相異步電動(dòng)機逆變器的控制方法主要有V/f恒定控制法、轉差率控制法、矢量控制法和直接轉矩控制法(DTC)。20世紀90年代以前主要使用前兩種控制方式，但是因轉速控制范圍小，轉矩特性不理想，而對于需頻繁起動(dòng)、加減速的電動(dòng)車(chē)并不適合?，F在，后兩種控制方式目前處于主流的地位。

(4)異步電動(dòng)機的應用現狀

在美國，異步電動(dòng)機應用的較多，這也被人為是和路況有關(guān)。在美國，高速公路已經(jīng)具有一定的規模，除了大城市外，汽車(chē)一般以一定的高速持續行駛，所以能夠實(shí)現高速運轉而且在高速時(shí)有較高效率的異步電動(dòng)機得到廣泛應用。在我國，隨著(zhù)高速公路規模的發(fā)展，交流異步電動(dòng)機在新能源汽車(chē)上的應用也會(huì )越來(lái)越重要。

3、永磁無(wú)刷電動(dòng)機在新能源汽車(chē)中的應用

隨著(zhù)近些年來(lái)電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、微型計算機技術(shù)、稀土永磁材料、傳感器技術(shù)與電機控制理論的快速發(fā)展，使得交流驅動(dòng)技術(shù)逐漸成熟。

相比于現有串勵或者并勵有刷直流電機驅動(dòng)系統，永磁無(wú)刷電機擁有功率密度大、體積小、效率高、結構簡(jiǎn)單牢固、易于維護等優(yōu)點(diǎn)，且采用永磁無(wú)刷電機作為驅動(dòng)元件的電動(dòng)汽車(chē)驅動(dòng)系統運行和維護成本較低；采用全數字化和模塊化結構設計，使得驅動(dòng)器接口靈活，控制能力更強，操作更加舒適；應用能量回饋制動(dòng)技術(shù)，可以減少剎車(chē)片的磨損，同時(shí)又增加汽車(chē)續駛里程。

因此，基于電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)發(fā)展需要和技術(shù)現狀，設計開(kāi)發(fā)可靠、低成本、性能優(yōu)良的全數字化電動(dòng)汽車(chē)永磁無(wú)刷電機驅動(dòng)系統，對于電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有著(zhù)重要的現實(shí)意義。

(1)永磁同步電動(dòng)機簡(jiǎn)介

在電機內建立進(jìn)行機電能量轉換所必需的氣隙磁場(chǎng)有兩種方法。一種是在電機繞組內通電流產(chǎn)生磁場(chǎng)，這種方法既需要有專(zhuān)門(mén)的繞組和相應的裝置，又需要不斷供給能量以維持電流流動(dòng)，例如普通的直流電機和同步電機。另一種是由永磁體來(lái)產(chǎn)生磁場(chǎng)，這種方法既可簡(jiǎn)化電機結構，又可節約能量。由永磁體產(chǎn)生磁場(chǎng)的電機就是永磁電機。

它利用永磁體建立勵磁磁場(chǎng)的同步電動(dòng)機，其定子產(chǎn)生旋轉磁場(chǎng)，轉子用永磁材料制成。同步發(fā)電機為了實(shí)現能量的轉換，需要有一個(gè)直流磁場(chǎng)而產(chǎn)生這個(gè)磁場(chǎng)的直流電流，稱(chēng)為發(fā)電機的勵磁電流。根據勵磁電流的供給方式，凡是從其它電源獲得勵磁電流的發(fā)電機，稱(chēng)為他勵發(fā)電機，從發(fā)電機本身獲得勵磁電源的，則稱(chēng)為自勵發(fā)電機。

(2)永磁同步電動(dòng)機的特點(diǎn)

永磁同步電動(dòng)機有以下優(yōu)點(diǎn)：功率因數大，效率高，功率密度大；結構簡(jiǎn)單、便于維護，使用壽命較長(cháng)、可靠性高；調速性能好，精度高；具有良好的瞬時(shí)特性，轉動(dòng)慣量低，響應速度快；頻率高，輸出轉矩大，極限轉速和制動(dòng)性能優(yōu)于其他類(lèi)型的電機；采用電子功率器件作為換向裝置，驅動(dòng)靈活，可控性強；形狀和尺寸靈活多樣，便于進(jìn)行外形設計；采用稀土永磁材料后電機的體積小、質(zhì)量輕。

但是永磁同步電動(dòng)機也有以下缺點(diǎn)：電機造價(jià)較高；在恒功率模式下，操縱較為復雜，控制系統成本較高；弱磁能力差，調速范圍有限；功率范圍較小，受磁材料工藝的影響和限制，最大功率僅為幾十千瓦；低速時(shí)額定電流較大，損耗大，效率較低；永磁材料在受到振動(dòng)、高溫和過(guò)載電流作用時(shí)，其導磁性能可能會(huì )下降或發(fā)生退磁現象，將降低永磁電動(dòng)機的性能，嚴重時(shí)還會(huì )損壞電動(dòng)機，在使用中必須嚴格控制，使其不發(fā)生過(guò)載。永磁材料磁場(chǎng)不可變，要想增大電機的功率，其體積會(huì )很大；抗腐蝕性差；不易裝配。

(3)永磁電機作為驅動(dòng)電機的優(yōu)越性

①轉矩、功率密度大、起動(dòng)力矩大。永磁電機氣隙磁密度可大大提高，電機指標可實(shí)現最佳設計，使得電機體積縮小、重量減輕，同容量的稀土永磁電機體積、重量、所用材料可以減輕30%左右。永磁驅動(dòng)電機起動(dòng)轉矩大，在汽車(chē)啟動(dòng)時(shí)能提供有效地啟動(dòng)轉矩，滿(mǎn)足汽車(chē)的運行需求。

②力能指標好。Y系列電機在60%的負荷下工作時(shí),效率下降15%,功率因數下降30%，力能指標下降40%。而永磁電機的效率和功率因數下降甚微,當電機只有20%負荷時(shí),其力能指標仍為滿(mǎn)負荷的80%以上。同時(shí)永磁無(wú)刷同步電機的恒轉矩區比較長(cháng),一直延伸到電機最高轉速的50%左右,這對提高汽車(chē)的低速動(dòng)力性能有很大幫助。

③高效節能。在轉子上嵌入稀土永磁材料后,在正常工作時(shí)轉子與定子磁場(chǎng)同步運行,轉子繞組無(wú)感生電流,不存在轉子電阻和磁滯損耗,提高了電機效率。永磁電機不但可減小電阻損耗,還能有效地提高功率因數。如在25%-120%額定負載范圍內永磁同步電機均可保持較高的效率和功率因素。

④結構簡(jiǎn)單、可靠性高。用永磁材料勵磁,可將原勵磁電機中勵磁線(xiàn)圈由一塊或多塊永磁體替代,零部件大量減少,在結構上大大簡(jiǎn)化，改善了電機的工藝性,而且電機運行的機械可靠性大為增強,壽命增加。轉子繞組中不存在電阻損耗,定子繞組中幾乎不存在無(wú)功電流，電機溫升低,這樣也可以使整車(chē)冷卻系統的負荷降低,進(jìn)一步提高整車(chē)運行的效率。

(4)永磁同步電機的控制系統

永磁電機的控制技術(shù)與感應電機類(lèi)似，控制策略上主要集中在提高低速轉矩特性和高速恒功率特性上。目前，永磁同步電機低速時(shí)常采用矢量控制，包括氣隙磁場(chǎng)定向、轉子磁鏈定向、定子磁鏈定向等；而在高速運行時(shí)，永磁同步電機通常采用弱磁控制。

(5)永磁電機應用現狀

稀土永磁電機的設計理論、計算方法、檢測技術(shù)和制造工藝正不斷地完善和發(fā)展,永磁材料的性能和可靠性正不斷地提高。電力電子技術(shù)、大規模集成電路和計算機技術(shù)的快速發(fā)展也對永磁驅動(dòng)電機的發(fā)展起到了積極的促進(jìn)作用。隨著(zhù)未來(lái)混合動(dòng)力汽車(chē)和純電動(dòng)汽車(chē)的快速發(fā)展,永磁驅動(dòng)電機將迎來(lái)一個(gè)更為快速發(fā)展的時(shí)期,其發(fā)展趨勢也將呈現以下特點(diǎn):高功率密度、高轉矩密度、高可控性、高效率、高性能、高價(jià)格比等,以滿(mǎn)足混合動(dòng)力汽車(chē)和純電動(dòng)汽車(chē)的實(shí)際需求。

4、開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機在新能源汽車(chē)中的應用

(1)開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機簡(jiǎn)介

開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(SwitchedReluctanceDrive：SRD)是繼變頻調速系統、無(wú)刷直流電動(dòng)機調速系統之后發(fā)展起來(lái)的最新一代無(wú)級調速系統，是集現代微電子技術(shù)、數字技術(shù)、電力電子技術(shù)、紅外光電技術(shù)及現代電磁理論、設計和制作技術(shù)為一體的光、機、電一體化高新技術(shù)。它具有調速系統兼具直流、交流兩類(lèi)調速系統的優(yōu)點(diǎn)。

開(kāi)關(guān)磁阻電機覆蓋功率范圍10W~5MW的各種高低速驅動(dòng)調速系統。使的開(kāi)關(guān)磁阻電機存在許多潛在的領(lǐng)域，在各種需要調速和高效率的場(chǎng)合均能得到廣泛使用(電動(dòng)車(chē)驅動(dòng)、通用工業(yè)、家用電器、紡織機械、電力傳動(dòng)系統等各個(gè)領(lǐng)域)。

開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機工作原理：開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機的運行遵循“磁阻最小原理”——磁通總要沿磁阻最小的路徑閉合。而具有一定形狀的鐵心在移動(dòng)到最小磁阻位置時(shí)，必使自己的主軸線(xiàn)與磁場(chǎng)的軸線(xiàn)重合。

(2)開(kāi)關(guān)磁阻電機特點(diǎn)

它的結構比其它任何一種電動(dòng)機都要簡(jiǎn)單，在電動(dòng)機的轉子上沒(méi)有滑環(huán)、繞組和永磁體等，只是在定子上有簡(jiǎn)單的集中繞組，繞組的端部較短，沒(méi)有相間跨接線(xiàn)，維護修理容易。因而可靠性好，轉速可達15000r/min。效率可達85%～93%呢，比交流感應電動(dòng)機要高。損耗主要在定子，電機易于冷卻；轉子元永磁體，易于實(shí)現各種特殊要求的轉矩一速度特性，而且在很廣的范圍內保持高效率。更加適合電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力性能要求。

開(kāi)關(guān)磁阻電機還具有在較寬轉速和轉矩范圍內高效運行、控制靈活、可四象運行、響應速度快、成本較低等優(yōu)點(diǎn)。工藝性好，適用于高速，環(huán)境適應性強；電機轉矩的方向與繞組電流的方向無(wú)關(guān)；適用于頻繁啟停以及正反向轉換運行；啟動(dòng)電流小，轉矩大；可控參數多，調速性能好；具有較強的再生制動(dòng)能力；定子和轉子的材料均采用硅鋼片，易于獲取和回收利用。

但開(kāi)關(guān)磁阻電機有轉矩波動(dòng)大、需要位置檢測器、系統非線(xiàn)性特性，磁場(chǎng)為跳躍性旋轉，控制系統復雜；對直流電源會(huì )產(chǎn)生很大的脈沖電流等缺點(diǎn)。位置檢測器是開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機的關(guān)鍵器件，其性能對開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機的控制操作有重要影響。由于開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機為雙凸極結構，不可避免地存在轉矩波動(dòng)，噪聲是開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機最主要的缺點(diǎn)。

但近年來(lái)的研究表明，采用合理的設計、制造和控制技術(shù)，開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機的噪聲完全可以得到良好的抑制。另外，由于開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機輸出轉矩波動(dòng)較大，功率變換器的直流電流波動(dòng)也較大，所以在直流母線(xiàn)上需要裝置一個(gè)很大的濾波電容器。

(3)開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機的控制系統

開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機驅動(dòng)系統的核心是開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(SRM)，它涉及到電動(dòng)機，電力電子，微機，控制，光電轉換，角度測量等等多學(xué)科知識，結構比較復雜，控制系統要求也比較獨特，感應電動(dòng)機和永磁同步電動(dòng)機的控制方法通常難以滿(mǎn)足系統的控制要求。目前電動(dòng)汽車(chē)應用較少。它的主要研究方向是模型研究。

由于開(kāi)關(guān)磁阻電機具有明顯的非線(xiàn)性特性，系統難于建模，一般的線(xiàn)性控制方式不適于開(kāi)關(guān)磁阻電機系統。目前主要利用模糊邏輯控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )控制等。

它的控制系統包括功率變換器、控制器和位置傳感器及速度檢測器等部分。

①功率變換器

開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機的勵磁繞組，無(wú)論通過(guò)正向電流或反向電流，其轉矩方向不變，期換向，每相只需要一個(gè)容量較小的功率開(kāi)關(guān)管，功率變換器電路較簡(jiǎn)單，不會(huì )出現直通故障，可靠性好，易于實(shí)現系統的軟啟動(dòng)和四象限運行，具有較強的再生制動(dòng)能力。成本比交流三相感應電動(dòng)機的逆變器控制系統要低。

②控制器

控制器由微處理器、數字邏輯電路等元件組成。微處理器根據駕駛員輸入的命令，同時(shí)對位置檢測器、電流檢測器所反饋的電動(dòng)機轉子位置，進(jìn)行分析、處理，并在瞬間做出決策，發(fā)出一系列執行命令，來(lái)控制開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機適應電動(dòng)汽車(chē)不同條件下運行?？刂破餍阅芎脡暮驼{節的靈活性，取決于微處理器的軟件和硬件的性能配合關(guān)系。

③位置檢測器

開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機需要高精度的位置檢測器，來(lái)為控制系統提供電動(dòng)機轉子的位置、轉速和電流的變化信號，并要求有較高的開(kāi)關(guān)頻率以降低開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機的噪聲。

5、直流電動(dòng)機在新能源汽車(chē)中的應用

直流電機可分為永磁式直流電機和繞組勵磁式電機兩種。一般小功率采用前者，大功率采用后者，下面主要討論后者。

(1)直流電動(dòng)機簡(jiǎn)介

直流電機:將直流電能轉化成機械能(直流電動(dòng)機)或將機械能轉化為直流電能(直流發(fā)電機)的旋轉電機。
直流電機的結構應由定和轉子兩大部分組成。直流電機運行時(shí)靜止不動(dòng)的部分稱(chēng)為定子，定子的主要作用是產(chǎn)生磁場(chǎng)，由機座、主磁極、換向極、端蓋、軸承和電刷裝置等組成。運行時(shí)轉動(dòng)的部分稱(chēng)為轉子，其主要作用是產(chǎn)生電磁轉矩和感應電動(dòng)勢，是直流電機進(jìn)行能量轉換的樞紐，所以通常又稱(chēng)為電樞，由轉軸、電樞鐵心、電樞繞組、換向器和風(fēng)扇等組成。

有刷直流電動(dòng)機被廣泛用于要求轉速可調、調速性能好，以及頻繁起動(dòng)、制動(dòng)和反轉的場(chǎng)合。

(2)直流電動(dòng)機的特點(diǎn)

直流電動(dòng)機有下面的優(yōu)點(diǎn)：結構簡(jiǎn)單；具有優(yōu)良的電磁轉矩控制特性，可實(shí)現基速以下恒轉矩、基速以上恒功率，可滿(mǎn)足汽車(chē)對動(dòng)力源低速高轉矩、高速低轉矩的要求；可頻繁快速啟動(dòng)、制動(dòng)和反轉；調速平滑、無(wú)級、精確、方便，范圍廣；抗過(guò)載能力強，能夠承受頻繁的沖擊負載；控制方法簡(jiǎn)單，只需要用電壓控制，不需要檢測磁極位置。

但是它也有下面缺點(diǎn)：設有電刷和換向器，高速和大負荷運行時(shí)換向器表面易產(chǎn)生電火花，同時(shí)換向器維護困難，很難向大容量、高速度發(fā)展，此外電火花會(huì )產(chǎn)生電磁干擾；不宜在多塵、潮濕、易燃易爆的環(huán)境中使用；價(jià)格高、體積和質(zhì)量大。其中電火花產(chǎn)生的電磁干擾，對高度電子化的電動(dòng)汽車(chē)來(lái)說(shuō)將是致命的。隨著(zhù)電子力子技術(shù)和控制理論的發(fā)展，相對于其它驅動(dòng)系統而言，直流電機在電動(dòng)汽車(chē)中的應用已處于劣勢，目前已逐漸被淘汰。

(3)直流電機的控制系統

直流電機控制系統主要由斬波器和中央控制器構成，根據直流電機輸出轉矩的需要，通過(guò)斬波器來(lái)控制電機的輸入電壓、電流，來(lái)控制和驅動(dòng)直流電機的運行。

6、各種電機的比較

我們先比較各種電機的發(fā)展歷史，從圖4上我們可以看到，有刷直流電機、一般同步電機、感應電機與有刷磁鐵電機商品化歷史最長(cháng)，其產(chǎn)品更新?lián)Q代不斷，而且迄今還在應用。而自上世紀80年代開(kāi)始進(jìn)入商品化的表面永磁同步電機與1990年代以來(lái)研制開(kāi)發(fā)的開(kāi)關(guān)磁阻電機、內置式永磁同步電機以及最新的同步磁阻電機相繼進(jìn)入市場(chǎng)，并在電動(dòng)汽車(chē)與混合動(dòng)力車(chē)上獲得應用。

圖4：各種電機的發(fā)展歷史比較

就目前發(fā)展水平，各類(lèi)驅動(dòng)電機基本性能比較如下：

圖5：各類(lèi)驅動(dòng)電機基本性能比較

圖6：各類(lèi)驅動(dòng)電機基本性能比較

然后再比較各種電機在哪些新能源汽車(chē)上應用比較廣。異步電機主要應用在純電動(dòng)汽車(chē)，永磁同步電機主要應用在混合動(dòng)力汽車(chē)中，開(kāi)關(guān)磁阻電機目前主要應用在客車(chē)中。而從中國不同種類(lèi)新能源汽車(chē)驅動(dòng)電機的應用來(lái)看，目前交流異步感應電機和開(kāi)關(guān)磁阻電機主要應用于新能源商用車(chē),特別是新能源客車(chē)，開(kāi)關(guān)磁阻電機的實(shí)際裝配應用較少；永磁同步電機主要應用于新能源乘用車(chē)。

最后比較各種電機在我國發(fā)展現狀：

(1)交流異步電機驅動(dòng)系統我國已建立了具有自主知識產(chǎn)權異步電機驅動(dòng)系統的開(kāi)發(fā)平臺，形成了小批量生產(chǎn)的開(kāi)發(fā)、制造、試驗及服務(wù)體系；產(chǎn)品性能基本滿(mǎn)足整車(chē)需求，大功率異步電機系統已廣泛應用于各類(lèi)電動(dòng)客車(chē)；通過(guò)示范運行和小規模市場(chǎng)化應用，產(chǎn)品可靠性得到了初步驗證。

(2)開(kāi)關(guān)磁阻電機驅動(dòng)系統已形成優(yōu)化設計和自主研發(fā)能力，通過(guò)合理設計電機結構、改進(jìn)控制技術(shù)，產(chǎn)品性能基本滿(mǎn)足整車(chē)需求；部分公司已具備年產(chǎn)2000套的生產(chǎn)能力，能滿(mǎn)足小批量配套需求，目前部分產(chǎn)品已配套整車(chē)示范運行，效果良好。

(3)無(wú)刷直流電機驅動(dòng)系統國內企業(yè)通過(guò)合理設計及改進(jìn)控制技術(shù)，有效提高了無(wú)刷直流電機產(chǎn)品性能，基本滿(mǎn)足電動(dòng)汽車(chē)需求；已初步具有機電一體化設計能力。

(4)永磁同步電機驅動(dòng)系統已形成了一定的研發(fā)和生產(chǎn)能力，開(kāi)發(fā)了不同系列產(chǎn)品，可應用于各類(lèi)電動(dòng)汽車(chē)；產(chǎn)品部分技術(shù)指標接近國際先進(jìn)水平，但總體水平與國外仍有一定差距；基本具備永磁同步電機集成化設計能力；多數公司仍處于小規模試制生產(chǎn)，少數公司已投資建立車(chē)用驅動(dòng)電機系統專(zhuān)用生產(chǎn)線(xiàn)。

(5)永磁電機材料永磁電機的主要材料有釹鐵硼磁鋼、硅鋼等。部分公司掌握了電機轉子磁體先裝配后充磁的整體充磁技術(shù)。國內研制的釹鐵硼永磁體最高工作溫度可280℃，但技術(shù)水平仍與德國和日本有較大差距。硅鋼是制造電機鐵芯的重要磁性材料，其成本占電機本體的20%左右，其厚度對鐵耗有較大影響，日本已生產(chǎn)出0.27mm硅鋼片用于車(chē)用電機，我國僅開(kāi)發(fā)出0.35mm硅鋼片。

7、新能源汽車(chē)驅動(dòng)電機未來(lái)展望

新能源汽車(chē)驅動(dòng)電機目前的發(fā)展方向有以下幾方面：小型輕量化；高效性；更出色的轉矩特性；使用壽命長(cháng)，可靠性高；噪聲低；價(jià)格低廉。隨著(zhù)時(shí)間的推移，新能源驅動(dòng)電機的發(fā)展呈現了下面的趨勢：

①電機本體永磁化：永磁電機具有高轉矩密度、高功率密度、高效率、高可靠性等優(yōu)點(diǎn)。我國具有世界最為豐富的稀土資源，因此高性能永磁電機是我國車(chē)用驅動(dòng)電機的重要發(fā)展方向。

②電機控制數字化：專(zhuān)用芯片及數字信號處理器的出現，促進(jìn)了電機控制器的數字化，提高了電機系統的控制精度，有效減小了系統體積。

③電機系統集成化：通過(guò)機電集成(電機與發(fā)動(dòng)機集成或電機與變速箱集成)和控制器集成，有利于減小驅動(dòng)系統的重量和體積，可有效降低系統制造成本。

下面談?wù)劧喾N未來(lái)的電機，隨著(zhù)新能源汽車(chē)驅動(dòng)技術(shù)的快速發(fā)展，許多新結構或新概念電機已經(jīng)投入研究。其中新型永磁無(wú)刷電機是目前最有前景的電機之一，包括混合勵磁型、輪轂型、雙定子型、記憶型以及磁性齒輪復合型等。此外非晶電機也開(kāi)始走進(jìn)新能源汽車(chē)領(lǐng)域，作為新一代高性能電機，其自身的優(yōu)越性必將對新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起到巨大的推動(dòng)作用。

(1)混合勵磁電機

混合勵磁電機是在保持電機較高效率的前提下，改變電機的拓撲結構，由兩種勵磁源共同產(chǎn)生電機主磁場(chǎng)，實(shí)現電機主磁場(chǎng)的調節和控制，改善電機調速、驅動(dòng)性能或調壓特性的一類(lèi)新型電機。其不僅繼承了永磁電機的諸多特點(diǎn)，而且還具有電勵磁電機氣隙磁場(chǎng)平滑可調的優(yōu)點(diǎn)。如永磁開(kāi)關(guān)磁阻電機和永磁同步磁阻電機。

(2)雙定子永磁電機

雙定子電機是在現有電機體積不變的基礎上增加定子的個(gè)數，使氣隙數量由一層變?yōu)閮蓪踊蛘叨鄬拥囊环N新型永磁無(wú)刷電機。由于轉矩的疊加，作用于轉子上的電磁轉矩也會(huì )相應增加，從而提高電機整體的轉矩密度和功率密度。由于這種電機的機械集成度較高，所以其具有響應快、動(dòng)態(tài)特性好，結構材料利用率高和驅動(dòng)靈活等特點(diǎn)。

(3)記憶電機

記憶電機又稱(chēng)為磁通可控永磁電機，與一般永磁電機的區別在于，永磁材料本身的磁化程度能夠在很短的時(shí)間內通過(guò)施加充磁或者去磁電動(dòng)勢而得到改變，并且充磁和去磁之后其磁化程度也能被保留住記憶。因此具有更寬的調速范圍，同時(shí)可以避免產(chǎn)生額外的勵磁損耗，實(shí)質(zhì)上是一種新的簡(jiǎn)單高效的弱磁控制技術(shù)。

(4)磁性齒輪永磁無(wú)刷復合電機

該電機是一種集成無(wú)刷直流驅動(dòng)電機和共軸磁性齒輪的復合電機。所謂共軸磁性齒輪是一種基于調磁諧波原理的高性能、無(wú)接觸的變速傳遞裝置。這種電機巧妙地利用了共軸磁性齒輪內轉子的中空部分，將電機定子嵌入其中，將輪胎直接鉚合在齒輪外轉子上，實(shí)現了電機、磁性齒輪、輪胎的一體化，有效地提高了空間利用率。

(5)非晶電機

非晶電機是一種利用非晶合金取代傳統硅鋼片作為鐵心材料的高效、節能、無(wú)污染的新型電機。其在高頻下的損耗極低，具有很高的效率；與相同標準的普通電機相比，體積和質(zhì)量大大減小，極大地提高了能源和資源的利用率。

對于同樣的新能源汽車(chē)，若使用非晶電機可以增加其行駛里程30%以上，而在相同行駛里程的情況下，電池可以節省30%的費用?？傊?，非晶電機憑借其高效率、高功率密度等優(yōu)勢將成為替代傳統電機的下一代高效電機。