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电动汽车驱动电机的选配原则研究

中国新能源汽车明确纯电动驱动技术路线以后，驱动电机的选配设计就显得尤为重要了。下面就电动汽车驱动电机的选配原则予以探讨。
一、纯电动汽车驱动形式
车载内燃机输出的动力直接来驱动汽车运动（前行或后退），这个内燃机在汽车行业内被称之为发动机。发动机是一种与汽车运动联接在一起的车载内燃机。发动机与一般的内燃机相比，有了更多工况特性。可以说，发动机是一种特别的内燃机。
发动机驱动汽车运动的形式不同，于是发动机裂变成了不同类别。主要是按发动机在汽车中的安放不同位置来划分的，有前置发动机、中置发动机、后置发动机三种。
由于发动机在汽车的位置不同，发动机驱动汽车又可以细分，主要有前置发动机前驱，前置发动机后驱，后置发动机后驱三种等。纯电动驱动即电动机代替发动机驱动了，如果车上有内燃机也不再参加驱动汽车，这个内燃机就不是发动机了。
按电机驱动形式，目前有前置电机、中置电机、后置电机、轮边电机、轮毂电机等多种。
二、驱动汽车的电机特性
发动机是驱动汽车的内燃机，驱动汽车的电机，暂时叫它驱动电机吧，这是相对工厂里用电机而言的。
（1）由于电动汽车频繁的启动/停车、加速/减速，对驱动电机转矩控制的动态性能要求较高，动态性能越好，电机技术水平越高；
（2）设计电动汽车，希望要求减少整车的重量，取消多级变速器，要求电机可以提供较高的转矩，通常来说要能够承受4-5倍的过载；
（3）驱动电机不仅要求保持较高的运行效率，同时要求调速范围尽量大；
（4）电动汽车要求制动能量回收功能，再生制动回收的能量一般要达到总能量的10%-20%，这个任务是由电机来完成的。这就要求电机不仅驱动性能好，还要兼顾发电机的功能，且要求发电效率高。
（5）相对工厂而言，电动汽车运动环境更加恶劣、复杂，防尘、防水、防尘等要求更高。这个说明，驱动电机必须要求到达汽车级，一般工业级电机是不能直接用于汽车的。
（6）电动汽车内部相对空间狭小，要求驱动电机重量轻、体积小。
三、约束驱动电机的主要指标
(1)加速能力(s)：电动汽车从静止加速到一定的时速所需要的最小时间；
(2)最高时速(km/h)：电动汽车所能达到的最高时速。
(3)最大行驶里程(km)：电动汽车在电池充满电后的最大行驶里程。
(1)加速能力(s)、(2)最高时速(km/h)是对驱动电机的直接性能指标，(3)最大行驶里程(km)要求驱动电机能做到最大限度的节能。其中，(1)加速能力(s)、(2)最高时速(km/h)是关键指标。
四、目前电动汽车常用驱动电机比较
1）直流电动机
①直流电动机外形图及内部结构（见图1、图2）

        
图1 直流电动机外形图
        
图2 直流电动机零部件图②优点：电机技术较为成熟，有着控制方式容易，调速优良的特点。
③缺点：机械结构。如电刷和机械换向器等；瞬时过载能力不足；电机转速提高受到限制；在长时间工作时，电机的机械结构会产生损耗，提高了维护成本；电动机运转时电刷冒出的火花使转子发热，浪费能量，散热困难，也会造成高频电磁干扰。
④基本趋势：直流电机，在调速电动机领域内有着最为广泛的应用，早期大部分的电动汽车都采用直流电动机作为驱动电机。但是其缺点较为明显，长期无法克服，目前的电动汽车已经基本将直流电机淘汰。
2）交流异步电动机
①交流电动机外形图及内部结构（见图3、图4）

        
图3 交流电动机外形图
        
图4 交流电动机零部件图②优点：定、转子由硅钢片叠压而成，两端用铝盖封装，定、转子之间没有相互接触的机械部件，结构简单，运行可靠耐用，维修方便。与同功率的直流电动机相比效率更高，质量约轻了二分之一左右。如果采用矢量控制的控制方式，可以获得与直流电机相媲美的可控性和更宽的调速范围。交流异步电机具有效率高、比功率较大、适合于高速运转等优势。
③缺点：高速运转的情况下电机的转子发热严重，工作时要保证电机冷却，同时异步电机的驱动、控制系统很复杂，电机本体的成本也偏高。与永磁式电动机和开关磁阻电机相比，异步电机的效率和功率密度偏低，对于提高电动汽车的最大行驶里程不利。
④基本趋势：交流异步电机是目前工业中应用十分广泛的一类电机，已经大规模化生产。目前不少电动汽车厂家选用交流异步电机作为启动电机，基本控制采用矢量控制的控制方式。在大型电动公交车上的应用上，交流异步电机生命力较强。
3）永磁式电动机
①永磁式电动机外形图及内部结构（见图5、图6）

        
图5 永磁式电动机外形图及内部结构
        
图6 永磁式电动机及控制器②分类：永磁式电动机根据定子绕组的电流波形的不同可分为两种类型，一种是无刷直流电机，它具有矩形脉冲波电流；另一种是永磁同步电机，它具有正弦波电流。
③优点：这两种电机在结构和工作原理上大体相同，转子都是永磁体，减少了励磁所带来的损耗，定子上安装有绕组通过交流电来产生转矩，所以冷却相对容易。由于这类电机不需要安装电刷和机械换向结构，工作时不会产生换向火花，运行安全可靠，维修方便，能量利用率较高。永磁式电动机的控制系统相比于交流异步电机的控制系统来说更加简单。
④缺点：永磁电机最大的缺点是受到永磁材料工艺的限制，使得永磁式电动机的功率范围较小，一般最大功率只有几十千瓦。同时转子上的永磁材料在高温、震动和过流的条件下，会产生磁性衰退的现象，所以在相对复杂的工作条件下，永磁式电机容易发生损坏。而且永磁材料价格较高，因此整个电机及其控制系统成本较高。
⑤基本趋势：目前永磁电机在电动汽车里已经是主流电机。
4）开关磁阻电机
①开关磁阻电机外形图及内部结构（见图7）

        
图7 开关磁阻电机外形图及内部结构②优点：开关磁阻电机的结构最为简单，定、转子均为普通硅钢片叠压而成的双凸极结构，转子上没有绕组，定子装有简单的集中绕组，具有结构简单坚固、可靠性高、质量轻、成本低、效率高、温升低、易于维修等诸多优点。
③缺点：开关磁阻电机作为一种新型电机，目前产品性能有待完善和提升。
④基本趋势：相比其他类型的驱动电机而言，它具有直流调速系统的可控性好的优良特性，同时适用于恶劣环境，非常适合作为电动汽车的驱动电机使用。
⑤基本结论：作为电动汽车驱动电机使用，直流电机和永磁式电机在结构和面对复杂的工作环境适应性太差，很容易发生机械和退磁的故障。开关磁阻电机应用到电动汽车是必然的趋势。
六、电动汽车驱动电机的选配原则
1）用技术成熟的，但是不能用技术淘汰的产品；
2）用最新技术的，但是性能要稳定的产品；
3）当下电动物流专用车原则上选用永磁同步电机；
4）电动车大客车原则上也选用永磁同步电机，不过选用采用矢量控制的控制方式交流异步电机，也是一种较好的方案。
七、基本结论
1）早期的直流电机基本淘汰了，即使无轨电车基本也不用了；
2）积极尝试采用开关磁阻电机，当下不宜批量采用；
3）当下电动物流专用车，不宜批量采用矢量控制的控制方式交流异步电机；
4）电动车大客车原则上，8米的客车建议用永磁同步电机，10米以上的电动客车，是采用矢量控制的控制方式的交流异步电机，还是采用永磁同步电机？有必要添加更多的参考因素，再做进一步的论证。
本文由电动汽车资源网【EV江湖】作者撰写

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