1綜述

電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)及其控制系統(tǒng)是電動(dòng)汽車的心臟，是把電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能來驅(qū)動(dòng)車輛的部件。它的任務(wù)是在駕駛?cè)说目刂葡?，高效率地將?dòng)力電池的能量轉(zhuǎn)化為車輪的動(dòng)能，或者將車輪上的動(dòng)能反饋到動(dòng)力電池中。電能和機(jī)械能的相互轉(zhuǎn)化在電機(jī)轉(zhuǎn)子和定子間的氣隙形成。

2純電動(dòng)汽車電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)分類

單電動(dòng)機(jī)：有差速減速器，無離合器和傳動(dòng)裝置，需要低速大轉(zhuǎn)矩且速度變化區(qū)域大的電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)與逆變器的容量大。

雙電動(dòng)機(jī)：前后驅(qū)動(dòng)和雙輪轂電動(dòng)機(jī)兩類，雙輪轂電動(dòng)機(jī)及逆變器制造成本高。

四輪轂電動(dòng)機(jī)：結(jié)構(gòu)更緊湊，效率最高。

3新能源汽車驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)需滿足的性能

汽車運(yùn)行功能、舒適性、適應(yīng)環(huán)境、一次充電的續(xù)駛里程、耐溫、耐潮濕、噪音低、結(jié)構(gòu)簡單、維修方便等。

（1）低速大轉(zhuǎn)矩特性及較寬范圍內(nèi)的恒功率特性

（2）在整個(gè)運(yùn)行范圍內(nèi)的高效率、低損耗

（3）體積小，重量輕

（4）可靠性好、耐溫和耐潮性能強(qiáng)，能夠在較惡劣的環(huán)境下長期工作。

（5）價(jià)格低

（6）高電壓（盡量高電壓，減小電機(jī)尺寸和線束尺寸，降低逆變器成本）

（7）電氣系統(tǒng)安全性高（符合相關(guān)車輛電氣控制安全性能的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定。）

（8）高轉(zhuǎn)速（體積小，重量輕）

（9）在車輛減速時(shí)實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量回收并反饋蓄電池。

4電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式

（1）傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

電動(dòng)機(jī)替代發(fā)動(dòng)機(jī)。

仍然采用內(nèi)燃機(jī)汽車的傳動(dòng)系統(tǒng)，包括離合器、變速器、傳動(dòng)軸和驅(qū)動(dòng)橋等總成。

有電動(dòng)機(jī)前置、驅(qū)動(dòng)橋前置(F-F)，電動(dòng)機(jī)前置、驅(qū)動(dòng)橋后置(F-R)等各種驅(qū)動(dòng)模式。

結(jié)構(gòu)復(fù)雜，效率低，不能充分發(fā)揮電動(dòng)機(jī)的性能。

（2）簡化的傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

采用固定速比減速器，去掉離合器，可減少機(jī)械傳動(dòng)裝置的質(zhì)量、縮小其體積。

（3）電動(dòng)機(jī)—驅(qū)動(dòng)橋整體式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

與發(fā)動(dòng)機(jī)橫向前置、前輪驅(qū)動(dòng)的內(nèi)燃機(jī)汽車的布置方式類似。

把電動(dòng)機(jī)、固定速比減速器和差速器集成為一個(gè)整體，兩根半軸連接驅(qū)動(dòng)車輪。

傳動(dòng)機(jī)構(gòu)緊湊，傳動(dòng)效率較高，安裝方便，在小型電動(dòng)汽車上應(yīng)用最普遍。

（4）雙電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

采用兩個(gè)電動(dòng)機(jī)通過固定速比減速器分別驅(qū)動(dòng)兩個(gè)車輪。

每個(gè)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可以獨(dú)立的調(diào)節(jié)控制，便于實(shí)現(xiàn)電子差速，不必選用機(jī)械差速器。

電子差速器的優(yōu)點(diǎn)是體積小、質(zhì)量輕，在汽車轉(zhuǎn)彎時(shí)可以實(shí)現(xiàn)精確的電子控制，提高電動(dòng)汽車的性能；其缺點(diǎn)是由于增加了電動(dòng)機(jī)和功率轉(zhuǎn)換器，增加了初始成本，而且在不同條件下對兩個(gè)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行精確控制的可靠性需要進(jìn)一步發(fā)展。

（5）內(nèi)轉(zhuǎn)子電動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

電動(dòng)機(jī)裝在車輪內(nèi)，形成輪轂電動(dòng)機(jī)，可進(jìn)一步縮短從電動(dòng)機(jī)到驅(qū)動(dòng)輪的傳遞路徑。

采用高速內(nèi)轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)(約10000r/min)，需裝固定速比減速器降低車速。一般采用高減速比行星齒輪減速裝置，安裝在電動(dòng)機(jī)輸出軸和車輪輪緣之間，且輸入和輸出軸可布置在同一條軸線上。

高速內(nèi)轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)具有體積小、質(zhì)量輕和成本低的優(yōu)點(diǎn)，但它需要加行星齒輪變速機(jī)構(gòu)。

（6）外轉(zhuǎn)子電動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

采用低速外轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)，可完全去掉變速裝置。

電動(dòng)機(jī)外轉(zhuǎn)子直接安裝在車輪輪緣上，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和車輪轉(zhuǎn)速相等，車輪轉(zhuǎn)速和車速控制完全取決于電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速控制。

低速外轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，無需齒輪變速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，但其體積大、質(zhì)量大、成本高。

5直流電動(dòng)機(jī)

優(yōu)點(diǎn)：起步加速牽引力大，控制性能好，控制系統(tǒng)簡單，成本低。

缺點(diǎn)：機(jī)械轉(zhuǎn)向器會(huì)產(chǎn)生火花，轉(zhuǎn)速不能太高，過載能力、轉(zhuǎn)速范圍、功率體積比、功率質(zhì)量比、系統(tǒng)效率、使用維護(hù)等受到限制。

直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)特性

在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)，勵(lì)磁電流保持不變，改變電樞電壓控制轉(zhuǎn)矩。

在恒功率區(qū)，電樞電壓保持不變，改變勵(lì)磁電流或弱磁控制轉(zhuǎn)矩。

直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)特性

電動(dòng)汽車專用的直流電動(dòng)機(jī)應(yīng)具有的特點(diǎn)

電樞軸要延長，便于安裝測速脈沖發(fā)生器和推力軸接頭。

轉(zhuǎn)子直徑要設(shè)計(jì)的小些，軸長要設(shè)計(jì)的長些。

為了便于散熱，電樞槽要比實(shí)際多一些。

為了換向器片、電刷等的定期檢查和維護(hù)，檢查口應(yīng)制造的大些。

由于震動(dòng)，為了防止電刷的誤動(dòng)作，應(yīng)提高電刷的預(yù)壓緊力。

電動(dòng)汽車專用的直流電動(dòng)機(jī)需要考慮的事項(xiàng)有：耐高溫性、抗震動(dòng)性、低損耗性、抗負(fù)荷波動(dòng)、小型輕量化、解決免維護(hù)性等。

6交流電動(dòng)機(jī)

（1）同步電動(dòng)機(jī)：轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與定子旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速相等。

又分為繞線式和永磁式。

（2）異步電動(dòng)機(jī)：轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速不等于定子旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速。

優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格便宜，運(yùn)行可靠，維護(hù)方便，效率較高。

缺點(diǎn)：功率因數(shù)低。

電動(dòng)汽車用交流異步電動(dòng)機(jī)具有以下特點(diǎn)：

高速低轉(zhuǎn)矩時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)效率高。

低速時(shí)有高轉(zhuǎn)矩，并有寬泛的速度范圍。

易實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速超過10000r/min的高速旋轉(zhuǎn)。

小型輕量化。

高可靠性。

制造成本低。

控制裝置的簡單化。

永磁同步電機(jī)的驅(qū)動(dòng)特性

異步電動(dòng)機(jī)是多變量系統(tǒng)，電壓、電流、頻率、磁通、轉(zhuǎn)速相互影響。

異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制：矢量控制，直接轉(zhuǎn)矩控制，轉(zhuǎn)速控制，變頻恒壓控制，自適應(yīng)控制，效率優(yōu)化控制等。

7永磁電動(dòng)機(jī)

根據(jù)輸入電動(dòng)機(jī)接線端的電流種類可分為：永磁直流電動(dòng)機(jī)，永磁交流電動(dòng)機(jī)（永磁無刷電動(dòng)機(jī)，沒有電刷、滑環(huán)或換向器）

根據(jù)輸入電動(dòng)機(jī)接線端的交流波形永磁無刷電動(dòng)機(jī)可分為：永磁同步電動(dòng)機(jī)、永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)

現(xiàn)有的永磁電動(dòng)機(jī)可分為永磁直流電動(dòng)機(jī)、永磁同步電動(dòng)機(jī)、永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)和永磁混合式電動(dòng)機(jī)四類（后三種稱為永磁無刷電動(dòng)機(jī)）。

根據(jù)永磁體在轉(zhuǎn)子上的位置不同，永磁同步電動(dòng)機(jī)可分為：內(nèi)置式永磁同步電動(dòng)機(jī)（SPM）、外置式永磁同步電動(dòng)機(jī)（IPM）

需要研究解決的問題：

（1）電動(dòng)機(jī)效率：低速效率較低。

（2）電動(dòng)機(jī)的弱磁能力：轉(zhuǎn)速升高，電機(jī)電壓升高，要繼續(xù)升高轉(zhuǎn)速，只有調(diào)節(jié)定子電流來等效弱磁提高轉(zhuǎn)速。磁路磁阻較大，弱磁能力較小。

優(yōu)點(diǎn)：

較高的“功率/質(zhì)量”比（轉(zhuǎn)子上無繞組、無銅耗、磁通量小，在低負(fù)荷時(shí)鐵損很小）。

更高的頻率、更大的輸出轉(zhuǎn)矩。

電機(jī)的動(dòng)態(tài)性能好。

電機(jī)的極限轉(zhuǎn)速和制動(dòng)性能等都優(yōu)。

其冷卻系統(tǒng)相對比較簡單。

恒轉(zhuǎn)矩區(qū)比較長。

電機(jī)最高轉(zhuǎn)速較高，能達(dá)到10000r/min。

功率密度高、調(diào)速性能好。

在寬轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)運(yùn)行效率高（90%~95%）。

缺點(diǎn)：

磁通量調(diào)節(jié)比較困難。

控制系統(tǒng)變得更加復(fù)雜，而且增加了成本。

永磁電機(jī)的功率范圍較小。

震動(dòng)、高溫和過載電流作用時(shí)，可能會(huì)使永磁材料的導(dǎo)磁性能下降或發(fā)生退磁想象。

電機(jī)造價(jià)較高。

永磁材料會(huì)有退磁效應(yīng)。

抗腐蝕性差。

永磁材料磁場不可變，要想增加電機(jī)的功率，其體積會(huì)相應(yīng)地增大。

8輪轂電動(dòng)機(jī)

輪轂電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式

（1）減速驅(qū)動(dòng)方式

特點(diǎn)：可高速運(yùn)行，可選內(nèi)轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)，有減速器。

優(yōu)點(diǎn)：有較高的功率和效率比，體積小，重量輕，扭矩大，爬坡性能好，低速轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)。

缺點(diǎn)： 難實(shí)現(xiàn)液態(tài)潤滑，此輪磨損快，壽命短，不易散熱，噪聲大。

（2）直接驅(qū)動(dòng)方式

特點(diǎn)：多采用外轉(zhuǎn)子，要求電動(dòng)機(jī)低速轉(zhuǎn)矩大，調(diào)節(jié)范圍寬。

優(yōu)點(diǎn)：無減速器，結(jié)構(gòu)緊湊、簡單、軸向尺寸小，效率較高，響應(yīng)較快。

缺點(diǎn)：起步、迎風(fēng)、爬坡、大負(fù)荷行駛需要大電流，易損壞電池和永磁體，效率峰值區(qū)小，負(fù)荷電流超過一定值后效率急劇下降。

使用輪轂電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的汽車具有很多優(yōu)勢：

（1）動(dòng)力控制由硬連接改為軟連接形式。

（2）各電動(dòng)機(jī)輪的驅(qū)動(dòng)力直接獨(dú)立可控，動(dòng)力控制更靈活、方便。

（3）容易實(shí)現(xiàn)各電動(dòng)機(jī)的電氣制動(dòng)、機(jī)電復(fù)合制動(dòng)和制動(dòng)能量反饋。

（4）底架結(jié)構(gòu)大為簡化，整車總體布置和車身設(shè)計(jì)自由度大。若在四輪電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)導(dǎo)入線控四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)（4WS），車輛轉(zhuǎn)向行駛性能提升，轉(zhuǎn)彎半徑減小，甚至可以零半徑轉(zhuǎn)向。

輪轂電機(jī)的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)：

省略大量傳動(dòng)部件，讓車輛結(jié)構(gòu)更簡單，有利于電池包布置，對地板布置有利，使地板結(jié)構(gòu)更簡單；

傳動(dòng)效率高；

重量輕；

可實(shí)現(xiàn)多種復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)方式。

輪轂電機(jī)的技術(shù)缺點(diǎn)：

輪轂電機(jī)較大幅度地增大了簧下質(zhì)量，同時(shí)也增加了輪轂的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，這對于車輛的操控性能是不利的。

電制動(dòng)性能有限，維持制動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行需要消耗不少電能；

由于輪轂電機(jī)系統(tǒng)的電制動(dòng)容量小，不能滿足整車制動(dòng)性能的要求，都需要附加機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)；

沒有了傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)帶動(dòng)的真空泵，就需要電動(dòng)真空泵來提供剎車助力，但也就意味了有著更大的能量消耗；

輪轂電機(jī)工作的環(huán)境惡劣，面臨水、灰塵等多方面影響，在密封方面也有較高要求，同時(shí)在設(shè)計(jì)上也需要為輪轂電機(jī)單獨(dú)考慮散熱問題。