第3章　电动汽车电机系统

3.1　概述

电动汽车的电动机驱动控制系统是车辆行驶中的主要执行机构，是电动汽车的重要部件，其驱动特性是汽车行驶的主要性能指标。电动汽车中的燃料电池电动汽车、混合动力电动汽车和纯电动汽车都需要使用电动机来驱动车轮行驶。选择合适的电动机是提高各类电动汽车性价比的重要途径，因此研发或完善能同时满足车辆行驶过程中的各项性能要求，并具有坚固耐用、造价低、效能高等特点的电动机驱动方式显得极其重要。这也是提高电动汽车性价比而使其尽快普及应用、做好节能减排工作的有效途径。

3.1.1　电动机分类

电动机是一种将电能转化成机械能，再使机械能产生动能，用来驱动其他装置的电气设备，俗称马达，在电路中用字母“M”（旧标准用“D”）表示。

电动机的分类标准不同，分类内容也各不相同。一般电动机主要按电源种类、结构和工作原理、启动与运行方式、用途、转子的结构、运转速度等标准划分。

（1）按工作电源种类划分　按工作电源种类划分，电动机可分为直流电动机和交流电动机。

①直流电动机按结构及工作原理可分为无刷直流电动机和有刷直流电动机。有刷直流电动机可分为永磁直流电动机和电磁直流电动机。电磁直流电动机可分为串励直流电动机、并励直流电动机、他励直流电动机和复励直流电动机。永磁直流电动机可分为稀土永磁直流电动机、铁氧体永磁直流电动机和铝镍钴永磁直流电动机。

②交流电动机可分为单相电动机和三相电动机。

（2）按结构和工作原理划分　按结构和工作原理划分，电动机可分为直流电动机、异步电动机、同步电动机。

①同步电动机可分为永磁同步电动机、磁阻同步电动机和磁滞同步电动机。

②异步电动机可分为感应电动机和交流换向器电动机。感应电动机可分为三相异步电动机、单相异步电动机和罩极异步电动机等。交流换向器电动机可分为单相串励电动机、交直流两用电动机和推斥电动机。

（3）按启动与运行方式划分　按启动与运行方式划分，电动机可分为电容启动式单相异步电动机、电容运转式单相异步电动机、电容启动运转式单相异步电动机和分相式单相异步电动机。

（4）按用途划分　按用途划分，电动机可分为驱动用电动机和控制用电动机。

①驱动用电动机分为电动工具（包括钻孔、抛光、磨光、开槽、切割、扩孔等的工具）用电动机、家电（包括洗衣机、电风扇、电冰箱、空调器、录音机、录像机、影碟机、吸尘器、照相机、电吹风、电动剃须刀等）用电动机及其他通用小型机械设备（包括各种小型机床、小型机械、医疗器械、电子仪器等）用电动机。

②控制用电动机可分为步进电动机和伺服电动机等。

（5）按转子的结构划分　按转子的结构划分，电动机可分为笼形感应电动机（旧标准称为鼠笼形异步电动机）和绕线转子感应电动机（旧标准称为绕线形异步电动机）。

（6）按运转速度划分　按运转速度划分，电动机可分为高速电动机、低速电动机、恒速电动机、调速电动机。低速电动机又分为齿轮减速电动机、电磁减速电动机、力矩电动机和爪极同步电动机等。调速电动机除可分为有级恒速电动机、无级恒速电动机、有级变速电动机和无级变速电动机外，还可分为电磁调速电动机、直流调速电动机、PWM变频调速电动机和开关磁阻调速电动机。

异步电动机的转子转速总是略低于旋转磁场的同步转速。同步电动机的转子转速与负载大小无关而始终保持为同步转速。

3.1.2　电动汽车电动机的要求

电动汽车上使用的电动机个数很多，种类也不尽相同，可以说电动机及其控制器是电动汽车的心脏。根据电动汽车电动机是否直接用于驱动电动汽车行驶，可以将其分为牵引电动机和辅助电动机。牵引电动机及其控制系统（电动机驱动系统）是电动汽车中最为关键的系统，其类型和运行性能决定了电动汽车的运行性能。牵引电动机的功能是在驾驶员的操作下，能够按照驾驶员的意图高效地将电能转化为电动汽车车轮的动能，或者相反，将电动汽车车轮动能转化为电能。

非牵引电动机辅助电动汽车安全可靠地运行，并改善乘坐的舒适度。例如，散热风扇保证控制器或其他部件在适宜运行的工况下，稳定可靠地运行；电动转向泵使车辆转向更加灵敏和安全；电控空调系统控制电动汽车内温度，在炎炎夏日给人带来清凉。可以说，非牵引电动机也是电动汽车中必不可少的部件，没有非牵引电动机，电动汽车的安全可靠运行和舒适乘坐将难以保证。

由于电动汽车本身的特殊性，对电动机也提出了特殊的要求，主要包括安全性好，可靠性高，稳定性强，寿命长，价格低，体积小，重量轻，效率高。牵引电动机作为动力源，安装在机动车上，处于空间小、温差变化大、振动剧烈的恶劣环境中，必须满足各种路况要求。

①在市区行驶时，需要频繁地启动、停车、加速、减速，因此要求电动汽车的电动机有很好的转矩控制动态性能。

②在市区和市郊两种不同工况行驶时，电动汽车电动机的速度、转矩变化范围比较大，这要求电动汽车的电动机既要工作在恒转矩区，又要运行在恒功率区。恒转矩运行满足启动和爬坡，恒功率运行用来满足高速行驶。

③由于电动汽车车载能源的限制，目前无论是纯电动汽车还是燃料电池电动汽车，车载能源是其续驶能力的关键制约因素，所以要求电动汽车电动机能够在大范围内保持高效率运行，尽可能地提高其功率密度。这与一般工业电动机所要求的在额定功率附近高效运行不同。

④减小了电动汽车电动机的重量、体积，增加了与车体的适配性，减小了整车的总重量，扩大了车体可利用空间，增加了乘坐的舒适性。

⑤由于汽车本身运行环境的恶劣，GB/T 18488.1—2006规定：大气环境温度在-20～40℃时，电动机及其控制器能按规定的定额运行。事实上，汽车本身运行的环境比这个更恶劣。电动汽车的电动机应考虑汽车本身行驶的区域环境，如热带气候、雨雪天气、不同海拔等。

⑥瞬时功率高，有一定的过载能力。电动汽车的牵引电动机要求有4～5倍的过载能力，以满足加速和爬坡的需要，这高于工业要求的2倍过载能力。此外，电动机的可靠性要好，需要有一定的抗震能力。

⑦电动机应重量轻、体积小、成本低，而且还应考虑产品的实用性，应易于产业化，而且便于拆卸维修。

⑧电动汽车的驱动系统必须符合车辆电气控制系统的安全性标准和电气安全标准。

3.1.3　电动汽车电动机的基本组成

电动汽车的整个驱动系统包括电动机驱动系统与其机械传动机构两大部分。电动机驱动系统的基本组成框图如图3-1所示。它主要由电动机、功率转换器、控制器、各种检测传感器以及电源（蓄电池组）等组成。电动机一般要求具有电动与发电两项功能，即有四象限运行特性，按其类型可选用直流、交流、永磁无刷或开关磁阻等几种电动机。功率转换器按所选电动机类型，有DC/DC功率变换器以及DC、AC功率变换器等形式，其作用是按所选电动机驱动电流要求，将蓄电池的直流电转换为相应电压等级的直流、交流或脉冲电源。各种检测传感器主要有电压、电流、速度、转矩以及温度等检测反馈，其作用是为提高和改善电动机的调速特性。对永磁无刷电动机或开关磁阻电动机，还要求有电动机转角位置检测。由于所选电动机类型不同，其控制驱动方式也不同，具体将在后述各节针对电动机类型再作详细介绍。控制器是按驾驶员操纵挡位杆、加速踏板和制动踏板等输入的前进、倒退、起步、加速、制动等信号，以及各种检测传感器反馈的信号，通过运算、逻辑判断、分析比较等适时向功率转换器发出相应的指令，使整个驱动系统有效运行。

3.1.4　电动汽车驱动电动机的发展趋势

（1）混合动力车中电驱动所占比例变高　随着国家对环境问题的重视，汽车的节能减排能力便越加重要。在混合动力车中，电驱动所占比例越高，汽车节能性能越强。电驱动已不再是发动机的附属设备，而是汽车的重要动力来源。

（2）电动机驱动系统的集成化和一体化　电动汽车电动机和控制系统的集成化体现在电动机与发动机、电动机与变速箱以及电动机与底盘系统的集成度越来越高。当前混合发动机集成的发展从结构的集成到控制和系统的集成，电动机与变速箱基本成为一体，电气化在汽车中体现得越来越明显。在高性能电动汽车中，底盘系统、制动系统、电动机传动系统已经实现一体化集成，并且各部分之间融合得非常好。

（3）电动机的永磁化　由于永磁电动机转矩、功率密度高，启动转矩大，设计永磁电动机时，电动机气隙长度是个比较关键的变量，通过选择优化，可以获得更好的电磁性能。在同样的设计要求下，永磁电动机的材料用量可以大幅节省。永磁电动机在轻载运行情况下仍能保持较高效率和功率因数。由于其转子无绕组，没有电阻损耗，电动机效率也得以提高。近些年来随着计算机硬件和软件的飞速发展，永磁电动机的理论分析、电磁设计、制造工艺、控制策略有显著进步，永磁电动机设计制造也形成了一套完整的体系。

随着材料技术的迅猛发展，永磁材料在近些年也得到了极大的突破，尤其是稀土永磁材料具有十分优越的磁性能。经过行业多年的研究及电动机制造技术探索，永磁电动机的制造成本大幅降低，永磁电动机已成为电动汽车驱动电动机领域研究的热点。

（4）电动机控制的集成化和数字化　随着车用电控制系统集成化程度不断加深，将电动机控制器、低压DC/AC变换器以及发动机控制器、变速箱控制器、整车控制器等进行不同方式的集成正在成为发展趋势。同时，高速、高性能微处理器使得电驱动控制系统进入一个全数字化时代。在高速、高性能的数字控制芯片的基础上，高性能的控制算法、复杂的控制理论得以实现。同时，使用面向用户的可视化编程，通过代码转化和下载直接进入微处理，将进一步提高编程效率和可调试性。

（5）电动机功率和功率密度的提高　电动机作为驱动系统中重要的动力来源，其运行性能直接影响到电动汽车在整个汽车行业中的竞争力。随着人们对电动汽车要求的逐渐提高，电动汽车的电动机功率已经从几千瓦提高到了几十千瓦甚至更高。同时，随着生活水平的不断提高，人们对舒适度的要求也逐步提升，这就对电动汽车内部空间提出了更高的要求，电动机变得越来越小巧，功率密度不断提高。

（6）电动机运行转速和回馈制动效率的提高　回馈制动是混合动力机电一体化技术的特征之一。使用高效的回馈制动电动机，同时使用特殊的调速系统和电能管理系统，使电动机能适应多种不同工况，让电动汽车可以更加节能，延长行车里程，从而使电动汽车对消费者更具吸引力。