第二章　驱动电动机及控制器

第一节　电动汽车驱动系统

一、电动汽车驱动系统的组成、种类及特点

1.电动汽车驱动系统的组成

电动汽车驱动系统的功用是在驾驶人的控制（通过加速踏板和制动踏板）下，高效率地将蓄电池（燃料电池或发电动机）的能量转化为车轮的动能，或者将车轮上的动能反馈到蓄电池中。电动汽车驱动系统的组成各种各样，一般都由电气和机械两大部分组成。图2-1所示为电气式驱动系统组成示例。电气部分主要由电动机、功率转换器和电子控制器三个子系统组成。电子控制器由传感器、中间连接电路与处理器等组成。传感器把电流、电压、温度、速度、转矩以及磁通等的测量数据转变为电信号，通过连接电路把这些电信号调整到合适的值，然后输入到处理器。处理器的输出信号通常经过中间电路放大后驱动功率转换器的半导体元件。

在驱动和能量回收过程（指把车轮上的动能反馈到蓄电池的过程，亦称能量再生）中，能量源与电动机之间的能量流动是通过功率转换器进行调节的。电动机与车轮通过机械传动装置连在一起，也可以直接装在车轮上，用电动机直接驱动。机械部分主要包括机械传动装置和车轮等，其中机械传动部分是可选的。图2-1中虚线表示的部分表示制动能量回收系统，不同的车辆略有不同。

2.电动汽车驱动系统的种类

电动汽车的驱动系统有着多种多样的组合形式，且每个电动汽车的驱动系统都具有自身的结构特点。

（1）根据驱动轮的布置方式分类

根据电动汽车驱动轮的布置方式，可分为前轮驱动、后轮驱动和全轮驱动等方式。根据基本布置方式，可分为机械驱动系统、半机械驱动系统和纯电气驱动系统等。

①机械驱动系统的特点是只用电动机及其控制系统取代内燃机及其控制系统，在其传动系统中，选用或保留了内燃机汽车的变速器、传动轴、后桥和半轴等传动部件。早期开发的电动汽车上多采用机械驱动系统，这样有利于集中精力来研制和开发电动机及其控制系统，并能更快地进行大量试验和改进工作，造价也较便宜。但其传动效率较低，并且不能充分满足电动汽车动力性能的要求。

②半机械驱动系统充分利用电动机调速范围宽的特点，取消了传动效率低、操作烦琐的齿轮变速器，只是采用了一部分机械传动的齿轮、差速器、半轴等零部件来传递动力。

③纯电气驱动系统由左右两个双联式电动机或轮毂式电动机组成，分别直接驱动左右两个驱动车轮。在双联式电动机或轮载电动机之间装有电子控制的差速器，控制双联电动机或轮毂电动机在电动汽车直线行驶时同步转动和在电动汽车转弯时差速转动。纯电气驱动系统仅采用两根半轴来驱动车轮或用轮毂电动机直接驱动车轮，使得电动汽车驱动系统的模式产生了根本变化，使驱动系统结构紧凑、传动效率高，也使得整车的结构有了很大的改变，扩大了乘坐及载货空间，有利于在底盘上布置蓄电池。因而，纯电气驱动将会成为未来电动汽车的主要驱动形式。

（2）根据驱动系统是否采用轮毂电动机分类

根据电动汽车驱动系统中是否采用轮毂电动机，可分为轮毂电动机式驱动系统和非轮毂电动机式驱动系统。这里主要介绍轮毂电动机式驱动系统。

轮毂电动机式驱动系统的驱动电动机装在电动汽车车轮的轮毂中，可以直接驱动电动汽车的驱动轮，传动效率高；占用电动汽车车身和底盘的空间少，乘员空间大；腾出了用于传动系统布置的空间，便于蓄电池的安装和布置电动机驱动系统，而且减少了车辆的簧载质量；可以是两轮驱动，也可以是四轮驱动，由电子控制系统来保证几个车轮间直线行驶时的同步转动、转弯时的差速转动和在坏路面上各个车轮的制动力分配。轮毂采用不同数量和不同功率的轮毂电动机，可以组成系列化的电动汽车。轮毂电动机式驱动系统可分为带变速器的驱动系统和不带变速器的驱动系统，两种系统的差别如图2-2所示。

（3）根据电动汽车驱动用电动机的数量分类

根据电动汽车驱动用电动机的数量，可分为单电动机和多电动机驱动系统。单电动机驱动系统由于只用一个电动机，能最大限度地减小相应的体积、质量及成本。多电动机驱动系统采用多个电动机单独驱动每一个车轮。多电动机系统能减小单个电动机的电流和功率的额定值，效率较高，容易均衡电动机的尺寸和质量，但必须安装电子差速器或采用电子控制系统实现差速，因而成本较高。

3.电动汽车驱动系统的特点

电动汽车驱动系统一般都包括控制元件、电动机和传动系统（如变速器等）。控制元件把踏板位置所要求的电流和电压传送给电动机，踏板的控制功能类似于内燃机车辆的加速踏板。电动机的成本很大程度上取决于电动汽车驱动系统要求的转矩范围。从经济的角度考虑，应把电动机转速在传至驱动车轮之前最大限度地降低。为了获得期望的爬坡能力和最高车速，电动汽车驱动用电动机应匹配单速或多速变速器（根据电动机的性能及转速范围）。由于受电池输出功率的限制及行驶阻力曲线的制约，车辆必须在牵引力-车速曲线指定的范围内运行。电力驱动车辆与内燃机车辆不同之处是它必须区分短期工作性能和长期工作性能。电动机的短期最大输出性能工况通常取决于控制元件，而长期工作性能是按30min输出来确定的，这时电动机的温度是主要限制因素。这一区别也适用于大多数蓄电池系统。依据所应用的驱动系统的类型，短期工作功率与长期工作功率之比为1.5～3。电力驱动车辆必须对最大功率输出进行监测和控制，以反映控制元件、电动机及蓄电池的发热量。

对于电动汽车而言，其性能试验方法中一般规定测量30min最高车速。例如，GB/T 18385—2005《电动汽车动力性能试验方法》中规定的电动汽车动力性能就有车辆能够持续行驶超过30min的最高车速，即30min最高车速v30（Maximum 30 Minutes Speed）。图2-3所示为他励直流电动机及两速变速器汽车的牵引力-车速曲线。图2-3中同时给出了短期（30min）和最大蓄电池输出功率曲线。可见，极限行驶车速和持续30min的最高车速是不同的。

二、电动汽车对驱动电动机性能的基本要求

汽车行驶的特点是频繁地启动、加速、减速和停车等。在低速或爬坡时需要高转矩，在高速行驶时需要低转矩。电动机的转速范围应能满足汽车从零到最大行驶速度的要求，即要求电动机具有高的比功率和功率密度。电动汽车电动机应满足的主要要求可归纳为如下10个方面。

①高电压。在允许的范围内，尽可能采用高电压，这可以减小尺寸，特别是可以降低逆变器的成本。图2-4所示为安装THS（Toyota Hybrid System）和THSⅡ系统的丰田普锐斯混合动力汽车采用的永磁同步交流电动机的功率-转速、转矩-转速曲线。工作电压由THS的274V提高到THSⅡ的500V。在尺寸不变的条件下，最高功率由33kW提高到50kW，最大转矩由350N·m提高到400N·m。可见，应用高电压系统对汽车动力性能的提高极为有利。

②转速高。电动汽车所采用的感应电动机的转速可以达到8000～12000r/min。高转速电动机的体积较小，质量较小，有利于降低装车的装备质量。

③质量小，体积小。电动机可通过采用铝合金外壳等途径降低其质量，各种控制装置和冷却系统的材料等也应尽可能选用轻质材料。电动汽车驱动电动机要求有高的比功率（电动机单位质量的输出功率）和在较宽的转速和转矩范围内都有较高的效率，以实现降低车重，延长续驶里程；而工业驱动电动机通常对比功率、效率及成本进行综合考虑，在额定工作点附近对效率进行优化。

④电动机应具有较大的启动转矩和较大范围的调速性能，以满足启动、加速、制动等所需的功率与转矩。电动机应具有自动调速功能，以减轻驾驶人的操纵强度，提高驾驶的舒适性，并且能够达到与内燃机汽车加速踏板同样的控制响应。

⑤电动汽车驱动电动机需要有4～5倍的过载，以满足短时加速行驶与最大爬坡度的要求，而工业驱动电动机需要2倍过载就可以了。

⑥电动汽车驱动电动机应具有高的可控性、稳态精度、动态性能，以满足多部电动机协调运行，而工业驱动电动机只要求满足某一种特定的性能。

⑦电动机应具有高效率、低损耗，并在车辆减速时，可进行制动能量回收。

⑧电气系统和控制系统的安全性应达到有关的标准和规定。电动汽车的各种动力电池组和电动机的工作电压可以达到300V以上。

⑨能够在恶劣条件下可靠工作。电动机应具有高的可靠性、耐温和耐潮性，并且运行时噪声低，能够在较恶劣的环境下长期工作。

⑩结构简单、适合大批量生产、使用维修方便、价格便宜等。

三、电动汽车驱动电动机的分类

电动机可分为交流电动机、直流电动机、交/直流两用电动机（测速、伺服、自整角等）、开关磁阻电动机及信号电动机等多种。适用于电力驱动的电动机可分为图2-5所示的直流电动机（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（异步）电动机、永磁无刷电动机和开关磁阻电动机等，它们性能的比较见表2-1。表中控制器成本一栏以直流电动机为基准，可见其他电动机控制器的成本远高于直流电动机。