电动汽车驱动系统关键技术

NO.318 电动汽车驱动系统关键技术对新能源汽车而言，电池技术、电机技术、电机控制器技术被称为新能源汽车关键三电技术。当前提高电机驱动系统的效率、功率密度、安全性与可靠性成为新能源汽车电机驱动系统的主要研究方向，也是我国政府和企业进行政策制定和未来发展规划的重点对象。电动汽车是集汽车技术、驱动控制技术、电机及计算机技术、电化学技术以及能源与新材料技术于一体的高新技术、高度集成的工业化产品，具有无污染、低噪声、效率高等特点。1 电动汽车电驱系统 电动汽车中，“电池、电机、电控”是其三大关键技术，其中电池技术相对独立，电机与电控结合比较紧密。电动汽车电机及其驱动控制系统（简称电驱系统）的技术水平直接影响着电动汽车的整车性能，是衡量电动汽车质量的重要指标之一。就电动汽车动力总成系统而言，现有的电动汽车驱动方式主要有集中式驱动和分布式驱动两种。1.1 集中式驱动电动汽车集中式驱动系统就是采用高功率密度的驱动电机取代传统汽车的燃油发动机，同时保留大部分传统汽车原有的整套机械传动、制动系统。 集中式电驱系统的电动汽车结构如图2所示。该类集中式电驱系统在动力结构上继承了传统汽车的变速箱、差速器以及传动轴等机械部件，对整车动力系统布局改动较少，控制技术相对成熟，是现阶段电动汽车的主流驱动模式。集中式驱动系统采用的驱动电机为传统内转子电机，比如丰田普锐斯所采用的驱动电机转子为Ｖ型内置式永磁体结构，如图３所示。图2 集中式电驱系统结构图3 丰田电动汽车驱动电机1.2 分布式驱动 电动汽车分布式电驱系统的显著结构特点是将多个驱动电机直接安装在车轮侧，并将驱动、传动、 制动装置都整合在一起，省去了离合器、变速器、 差速器等机械传动总成，能显著减小车辆簧载质量、缩短机械传递链和提高传动效率，同时大大简化电动汽车底盘结构。分布式电驱系统又分为轮毂电机驱动与轮边电机驱动两种。轮毂电机驱动是将动力、传动和制动装置都整合到轮毂内，使电动车辆的机械部分大大简化。而轮边电机驱动是将驱动电机装在车轮内侧通过传动轴单独驱动该车轮，而不是集成在车轮内。轮毂电机驱动系统一般采用外转子驱动电机（图4），轮边电机驱动系统采用与集中式驱动相同的内转子驱动电机，但其功率要比集中式驱动小得多。分布式驱动系统结构如图５所示。 采用分布式驱动系统的电动汽车可以根据不同的驱动要求，灵活采用“前轮驱动”、“后轮驱动”以及 “四轮独立驱动”等多种模式，还可以通过左右车轮的不同转速或反转实现类似履带式车辆的差动转向， 对于特种车辆具有较高的应用价值。图4 轮毂电机拓扑结构定子转子轴承微型逆变器悬架车轮图5 分布式电驱系统结构2 电动汽车驱动电机2.1 电动汽车驱动电机分类 电机是电动汽车电驱系统的关键核心部件，其性能的优劣，是衡量电动汽车是否具备优良动力性能的关键因素之一。根据电动汽车驾驶性能包括加速性能、最大车速、爬坡能力等的要求，以及车辆性能（车重、载重等）和车载能源系统的约束，电动汽车用驱动电机与工业电动机有明显区别，通常要求电动汽车驱动电机具有较高的过载能力以满足短时间加速和爬坡需求；高效率和高功率密度以降低车重，延长续航里程；可控性高、稳态精度高和动态性能好以满足汽车的协调运行。电动汽车可以采用的驱动电有直流电动机、PM无刷直流电动机、开关磁阻电动机、交流感应电动机、永磁同步电动机等，如图6所示。电动汽车电机及其应用车型如表1所示。直流电动机控制简单，通常采用他励直流电动机和串励直流电动机，早期的电动汽车普遍采用此类电动机。 电机类型电动汽车车型串励直流电动机菲亚特 PanDa ElettRa 并励直流电动机马自达 Bongo 他励直流电动机ConcePtoR G-Van 、菲亚特 Seicento ElettRa交流感应电机通用 EV1、TeSla 、宝马 i3永磁同步电机丰田 比亚迪开关磁阻电机ChloRiDe LUca 表1 电动汽车用电机分类但是直流电动机可靠性低、设备维护困难，随着交流电机的开发和调速技术的发展，电动汽车用直流电动机逐渐被性能更加优越的开关磁阻电动机、交流感应电动机和永磁同步电动机取代。 开关磁阻电动机定子与转子皆有普通硅钢片叠压而成的双凸极结构，具有结构简单、成本低、可靠、起动性能好（无过大的冲击电流）、同时具备交流感应电动机变频调速和直流电动机调速的 优点。但是开关磁阻电机磁极端部有比较严重的磁饱和以及磁极和沟槽的边缘效应，转矩波动大且经常引起噪声问题。图6 电动汽车驱动电机主要结构交流感应电机主要有三种转子结构：实心转子、 绕线转子和鼠笼（一般为铜或铝）转子。实心转子感应电机主要应用于起重设备等场合，机械特性并不适用于电动汽车驱动系统。绕线转子感应电机成本相对较高、维护量大、缺乏坚固性，所以也不适用于电动汽车。图７ 铜心鼠笼转子永磁同步电机采用永磁体励磁，具有高功率密度、起动转矩大、电流小、调速性能好和效率高等优点。对于降低家用汽车重量（轻量化），提高车辆续航里程来讲，永磁同步电机高起动转矩和效率具有很大的优势，如今已成为电动汽车驱动电机的主流选择。然而，永磁同步电机成本较高，高温下永磁体存在退磁风险。 目前，常用电动汽车驱动电机性能如表2所示。鼠笼转子感应电机（主要指铜笼）凭借其成本低、坚固可靠、效率相对较高等优点成为电动汽车驱动电机的一种选择。比如，TeSla前置驱动电机就是采用的铜心鼠笼感应电机，其转子结构如图７所示。表2 电动汽车驱动电机性能比较项直流电机交流感应电机永磁同步电机 开关磁阻电机功率密度低中高较高功率因数％/82-8590-9360-65峰值效率％85-8990-9595-9780-90负荷效率％80-8790-9285-9778-86过载能力％200300-500300300-500转速范围 103RPM4-612-154-15＞15恒功率区/1:51:2.251:3过载系数23-533-5可靠性中较高高较高结构坚固性低高较高高体积大中小小重量重中轻轻调速控制性能很好中好好电机成本低中高中控制器成本低高高中2.2 电动汽车驱动电机结构 2.2.1 永磁同步电机 永磁同步电机具有高功率密度、效率高等优点， 有助于降低电动汽车整车质量，提高续航里程、增加汽车内部空间等，是目前电动汽车驱动电机的研究热点。典型的永磁同步电机结构包括表贴式、插入式、径向内嵌式和切向内嵌式四种，如图８所示。图８ 典型转子永磁型电机结构但电动汽车特殊的运行环境和条件，要求驱动电机即能在低速运行时有较大转矩输出，高速运行时有较大的输出功率，表贴式、插入式和切向内嵌式永磁电机转子难以满足电机高速运行时结构强度要求，所以电动汽车永磁同步驱动电机多采用径向内嵌式永磁同步电机。比如宝马i3（图9）、丰田 PURiS等电动汽车永磁同步驱动电机均采用的是径向内嵌式永磁同步电机。图８ 宝马 i3驱动电机结构研究内置式永磁电机四种不同转子永磁体布置结构对定子铁心损耗的影响，发现通过增加转子永磁体层数可以降低转子磁动势谐波以减少定子铁心损耗。通过增加第一层永磁体深度和不同层永磁体之间的距离可以增加承载电枢反应磁通的硅钢材料面积，从而降低永磁体涡流损耗。通过设置不同形状的磁极以及多种形状磁极的组合，比如△＋