一、純電動汽車驅動系統結構和原理

前沿資訊網訊，2018年4月19日講解，純電動汽車主要由電力驅動，所以驅動系統是純電動汽車的核心。驅動系統的作用是將電源的電能轉化成機械能，通過傳動裝置或直接驅動車輪與工作裝置。驅動系統主要由電控單元、電動機及電機控制器、機械傳動裝置和車輪組成。其基本結構如圖2-13所示。

——動力傳輸方向—→電力傳輸方向

圖2-13純電動汽車驅動系統基本構造

電動汽車驅動系統控制原理如圖2-14所示。其工作過程是根據制動踏板和加速踏板輸入的信號，由電子控制器發出相應的控制指令來控制電動機。調節電動機和電源之間的功率流。輔助動力供給系統主要給動力轉向、空調、制動及其他輔助裝置提供動力。

電動汽車驅動系統控制原理如圖2~14所示。其工作過程是根據制動踏板和加速踏板輸人的信號，由電子控制器發出相應的控制指令來控制電動機，調節電動機和電源之間的功率流。輔助動力供給系統主要給動力轉向、空調、制動及其他輔助裝置提供動力。

圖2-14純電動汽車驅動系統控制原理示意圖

二、純電動汽車驅動系統的布置形式

早期的純電動汽車多采用內燃機汽車底盤改裝，基本保持了內燃機的傳動系統。隨著電動汽車技術的發展，純電動汽車采用新型的集中驅動系統、組合驅動系統、輪邊電動機型動系統和輪載電動機驅動系統等，使純電動汽車的驅動平臺向多元化、傳動簡化方向發展。

各種純電動汽車的驅動方式見表2-10。

表2“10維電動汽車的幾種常見的驅動方式

三、純電動汽車用電動機

電動機是純電動汽車驅動系統的核心部件，是唯一的驅動裝置。其性能的好壞直接影響純電動汽車驅動系統的性能，特別是影響純電動汽車的最高車速、加速性能及爬坡性能等。因此，了解純電動汽車電動機類型、結構及性能參數等至關重要。因為純電動汽車用電動機和其他電動汽車用電動機無多大差別，因此以下通稱為電動汽車用電動機。

(一)電動機的分類

電動機的分類方法很多，主要有下面幾種分類方法：

1.按工作電源分類。根據電動機工作電源不同，可分為直流電動機和交流電動機。其中，直流電動機又分為繞組勵磁式直流電動機和水磁式直流電動機;交流電動機分為單相電動機和三相電動機。

2.按結構及工作原理分類。電動機按結構及工作原理可分為直流電動機、異步電動機和同步電動機。直流電動機又分為無刷直流電動機和有刷直流電動機;異步電動機分為感應電動機和交流換向器電動機;同步電動機分為永磁同步電動機、磁阻同步電動機和磁滯同步電動機。

3.按用途分類。電動機按用途可分為驅動用電動機和控制用電動機。

4.按轉子的結構分類。電動機按轉子的結構可分為籠型感應電動機和繞線轉子感應電動機。

5.按運轉速度分類。電動機按運轉速度可分為高速電動機、低速電動機，恒速電動機、調速電動機。純電動汽車最早采用的是直流電動機。隨著電千技術和自動控制技術的發展以及純電動汽車技術要求的提高，無劇直流電動機、異步電動機、永磁同步電動機和開關磁阻電動機等顯示出比直流電動機更為優越的性能。在純電動汽車中應用越來越廣泛。

(二)純電動汽車對電動機的要求

電動機的特性是在“基速”范圍內先保持恒轉短輸出，其動力不需要通過變速器的變換就可以在低轉速時獲得大的轉距：當驅動電動機的轉速超過“基速“以上時，轉換為恒功率范圍保持恒功率輸出。這是電動機有別于內燃機的特性，如圖2-15所示。因此，電動機的特性能滿足純電動汽車的動力輸出要求。

由于純電動汽車在行膜過程中經常頻緊地啟動停年、加速減速等，這就要求純電動汽車中的電動機比一般工業應用的電動機性能更高。對電動機的基本要求如下：

1.運行特性要滿足純電動汽車的要求。

在恒轉矩區，要求低速運行時具有大轉矩，以滿足電動汽車啟動和爬坡的要求;在恒功率區，要求低轉矩時具有高的速度，以滿足純電動汽車在平坦的路面能夠高速行駛的要求。

2.應具有瞬時功率大、帶負荷啟動性能好、過載能力強、加速性能好、使用壽命長等特點。

3.應在整個運行范圍內具有很高的效率，以提高一次充電的續駛里程。

4.應能夠在汽車減速時實現再生制動，將能量回收并反饋給蓄電池，使得電動汽車具有最佳能量的利用率。

5.可靠性好，能夠在較惡劣的環境下長期工作。

6.體積小、重量輕，一般為工業用電動機的1/2～1/3。

7.結構要簡單堅固，適合批量生產，便于使用和維護。

8.價格便宜，從而能夠減少整體電動汽車的價格，提高性價比。

9.運行時噪聲低，減少污染。

四、電動機的主要性能參數

電動機的各種性能指標如下：

1.額定電壓U(V)。指電動機在額定條件下運行時，電動機定子繞組應輸人的線電壓。通常小型直流電動機的額定電壓為36-48V，單相交流電動機額定電壓為220V，三相交流電動機額定電壓為380V，特種電動機的額定電壓可達500V。

2.額定電流I(A)。指電動機在額定電壓條件下，其輸出軸的機械功率為額定功率時，電動機定子繞組通過的線電流。

3.頻率f(THz)。指三相電流的頻率。我國為50Hz的三相電流，國外多采用60Hz的三相電流。

4.額定轉速(r/min)。電動機在指定的斯率(我國為50Hz)時，在額定電壓條件下輸出軸上輸出的機械功率為額定功率時電動機的轉速。

根據純電動汽車速度、動力性能的要求，需要選擇不同轉速的驅動電動機。一般電動機的轉速有以下幾種：(①低速電動機，轉速為3000-6000r/min;②中速電動機，轉速為6000-10000r/min:③高速電動機，轉速為10000-15 000r/min.

5.額定功率P.(kW)。指電動機在額定條件運行時其輸出軸上輸出的機械功率。

P.=U.·I·n式中，U。為額定電壓(V);I，為額定電流(A);辦為效率(%)。

轎車電動機的額定功率約為30~50kW，客車和貨車電動機的額定功率約為50~150kW，ISG電動機的額定功率約為5~l5kW。

6.峰值功率Pm(kw)。指電動機在額定轉速條件下運行時，電動機軸上輸出的最大機械功率。電動機的峰值功率約為額定功率的2~3倍。

7.機械效率乎。指電動機在最高功率運行時電動機軸上輸出的機械功率，與電動機在額定條件下運行時電源輸入到電動機定子繞組上的功率之比值(%)。要求電動機高效區(效率大于85%)占電動機整個運行區間的50%以上。

8.溫升(℃)。指電動機在運行時允許升高的最高溫度。

五、純電動汽車用電動機結構及原理

日前純電動汽車上常采用的電動機有直流電動機(DC Motor)、交流電動機(ACIM)、永磁電動機(BDCM)和開關磁阻電動機(SRM)等，功率一般由幾十千瓦到一兩百千瓦。幾種常用電動機的性能比較見表2-11。

(一)直流電動機

1.直流電動機的特點。直流電動機就是將直流電能轉換成機械能的電動機，是電動機的主要類型之一。它具有啟動加速時驅動力大、結構簡單、技術成熟、控制容易等特點，在早期的電動汽車得到應用，特別適用于場地用電動汽車和專用電動汽車，但是直流電動機的電樞電流由電刷和換向器引人，換向時易產生電火花，換向器易燒蝕，電刷易磨損，需經常更換，維護工作量大;接觸部分存在磨損，不僅使電動機效率降低，還限制了電動機的工作轉速。新研制的純電動汽車基本不采用直流電動機，但無刷直流電動機是一種高性能的電動機，既有交流電動機的結構簡單、運行可靠、維護方便等諸多優點，又具備運行效率高、無勵磁損耗、運行成本低和調速性能好等特點，因此它在電動汽車上的應用與日俱增。

直流電動機分為繞組勵磁式直流電動機和永磁式直流電動機兩種。在純電動汽車所采用的直流電動機中，小功率電動機采用的是永磁式直流電動機，大功率電動機采用的是繞組勵磁式直流電動機。

2.直流電動機的基本構造。圖216所示的直流電動機由固定部分(定子)和轉動部分(轉子)兩大部分構成，定子部分包括外部的吊環、外殼和機座、端蓋、接線板、接線盒，以及裝于定子內部的壓緊層疊的定子硅鋼片組成的主磁極，在定子主磁極上固定定子繞組、換向極、集電刷等。轉子部分包括轉軸、用沖壓出一定形狀的槽子的硅鋼片疊壓制成的轉子鐵芯和裝于轉子鐵芯上的電樞繞組、端部的換向器和冷卻風扇等。在定子與轉子之間留有空隙，稱為氣隙。

3.直流電動機工作原理。簡化的直流電動機內固定兩個對稱的永磁磁極，一個為N極，另一個為S極。在對稱的永久磁極之間，裝置一個可以轉動的線圈，轉動線圈的兩端分別與兩個弧形的換向片連接，換向片分別與電刷A、B接觸。

1-冷卻風扇：2-機座;3一電樞!4一羊燃極;5-極電刷架;6=換向極;7-接線板;8一出線盒;9一換向極;10-端蓋|11-輸出軸

外接電源的正極與A電刷連接，負極與B電刷連接，在N極處的線段ab中的電流向內流，按照弗萊明左手定則，線段ab受感應電動勢產生的電磁力的作用向左運動。同時，在S極處的線段cd中的電流向外流，線段cd受感應電動勢產生的電磁力的作用向右運動。在N、S兩個電磁力共同的作用下，線圈abcd產生的電磁轉矩，使線圈繞軸線逆時旋轉，如圖2-17(a)所示。

當線圈旋轉180°之后，在N極處的線段cd中的電流向內流，線段ab受感應電動勢產生的電磁力的作用向左運動。同時，在S極處的線段ab中的電流向外流，線段ab受感應電勢產生的電磁力的作用向右運動。在N、S兩個電磁力共同的作用下，線圈dcba產生的電磁轉矩，使線圈繞軸線逆時針旋轉，如圖2=17(b)所示。

直流電通過換向器輸入電動機的電樞線圈后，在直流電動機的電樞電流I。與磁通①相互作用下，使N極處產生電磁力與電磁轉矩為逆時針方向。電流從N極向S極流動時，電流方向經過一次轉變，同樣在電樞電流l。與磁通o相互作用下，使S極產生電磁力與電磁轉矩也為逆時針方向。由于N極與S極處的電磁力和電磁轉矩的方向保持不變，使得電動機的電樞能夠連續不斷地轉動。

直流電動機電磁轉矩T是電動機的驅動轉矩，它與電動機的機械負荷轉矩T2和電動機的空載損耗轉矩T。相平衡(T=T,+T。)。當電源電壓U不變，電動機機械負荷轉矩T。

變化時，電動機的反電動勢E、電流L、電磁轉矩T和轉速n將會自動調整，保持電動機的穩定運轉。

(二)交流電動機

1.交流電動機的特點。交流電動機可分為同步電動機和異步電動機。同步電動機轉子的轉速n與定子旋轉磁場的轉速，在空間同步旋轉，即n一n’。異步電動機轉子的轉速n與定子旋轉磁場的轉速n在空間不同步，即n老力。

異步電動機采用變頻調速時，可以取消機械變速器，實現無級變速，使傳動效率大為提高。另外，異步電動機很容易實現正反轉，再生制動能量的回收也更加簡單。當采用籠型轉子時，異步電動機還具有結構簡單、堅固耐用、價格便宜、工作可靠、效率高和免維護等優點，所以異步電動機在純電動汽車上應用廣泛。下面以鼠籠式三相異步感應電動機為例介紹結構和工作原理。

2.三相異步電動機基本構造。鼠籠式三相異步感應電動機由固定部分(定子)和轉動部分(轉子)組成。定子部分包括吊環、定子外殼和機座、端蓋、接線板、接線盒，以及裝于定子內部的壓緊層疊的硅鋼片組成的定子鐵芯和定子鐵芯上固定的定子繞組。轉子部分包括用沖壓出一定形狀的槽子的硅鋼片疊壓制成的轉子鐵芯、在轉子的槽中嵌入銅條或鋁條的轉子導體、兩端的環狀銅板或鋁板、將各個銅條或鋁條鑄為一體連接成整體的轉子，以及支撐轉子的轉軸、軸承、端環和冷卻風扇等。在定子和轉子之間留有空隙，稱為氣隙，共同形成“鼠籠”結構，如圖2-18所示。

1一定子鐵芯;2一定子外殼;3一轉子鐵芯;4一轉子導體;5一端環;6一冷卻風扇;7一機座;8-定子繞組;9-軸承殼：10一軸：11-軸承

3.三相異步電動機工作原理。三相異步感應電動機的定子繞組是一個固定的、對稱的三相繞組。當電源的三相對稱交流電輸入感應電動機的定子繞組時，定子在三相電流通過時應電動機的定子繞組時，定子在三相電流通過時產生旋轉磁場，受到旋轉磁場產生的“感應”電磁力的作用，在轉子繞組中產生感應電動勢E和感應電流I，受定子電磁力的作用，使轉子繞定子的磁場方向旋轉，因此被稱為感應電動機。

如果三相異步感應電動機的轉子的轉速與定子旋轉磁場的轉速同步時，轉子繞組不能切割旋轉磁場的磁力線，轉子繞組中就不會產生感應電動勢和感應電流，也就不會有電磁力來驅動轉子轉動。因此，只有在兩者之間存在差異，即轉子的轉速，小于定子旋轉磁場的轉速n。時(n。>n)，才能使轉子與旋轉磁場產生相對運動。旋轉磁場轉速與轉子轉速之間產生轉速差，是三相異步感應電動機運行的必要條件，因此被稱為異步電動機，如圖2-19所示。

②反向旋轉磁場。當需要三相異步感應電動機反方向轉動時，只需將三相對稱交流電源中任意兩相對調，三相異步感應電動機即能反向旋轉，如圖2-21所示。

(2)三相異步感應電動機的定子極數與定子繞組。三相異步感應電動機定子的極數不同時，定子繞組之間的夾角也不同。定子繞組極數力一1時，每相定子繞組上只有一個繞組線圈。當極數p=1時，定子繞組之間的夾角為120°，定子極數p=2時，每相定子繞組上有兩個繞組線圈。當p=2時，定子繞組之間的夾角為60”.如此類推，p值增加，產生旋轉磁場的極也增加，定子繞組之間的夾角也按一定比例減小。三相異步感應電動機的極數可以有1極、2極、3極、4極、6極等不同極數。

在三相交流異步電動機的實際控制中，是綜合控制電動機的磁極對數p、三相電流頻率f6、電壓U等變化而呈非線性的復雜變化。

(三)永磁電動機

1.永磁電動機的特點。永磁同步電動機結構與無刷直流電動機相似，不同之處在于它采用正弦波驅動，所以在具備無刷直流電動機優點的同時，還具有低噪聲、體積小、功率密度大、轉動慣量小、脈動轉矩小、控制精度高等特點，特別適用于混合動力電動汽車電動機驅動系統，以達到減小系統體積、改善汽車加速性能和行駛平穩性等目的。因此，永磁同步電動機受到了全世界各大汽車生產廠家的重視。

2.永磁同步電動機的基本結構。如圖224所示，永磁同步電動機(PMSM)的定子繞組與普通同步電動機的定子繞組一樣。永磁同步電動機是用徑向內置永久磁鐵磁極或混合永久磁鐵磁極形成可同步旋轉的轉子磁極代替其他形式的勵式同步電動機的轉子勵磁繞組。由于其定子產生的旋轉磁場與轉子產生的磁場共同以同樣的頻率旋轉，因此這種同步電動機稱為永磁同步電動機。

3.水磁同步電動機的工作原理。永磁同步電動機實際上是一種凸極式電動機，一般其在定子結構上采用與三相交流電動機相似的三相對稱繞組，交流電源通過交一直一交電壓型逆變器或直一交電壓型逆變器調制為電壓可變化的三相正弦波電壓，輸入永磁同步電動機三相對稱繞組后，產生三相對稱的三相電流，在正弦波定子電流和正弦波反電動勢的作用下，氣隙中產生旋轉磁場，帶動轉子跟隨旋轉磁場同步旋轉，如圖2-25所示。

(四)開關磁阻電動機

1.開關碰阻電動機的特點。開關碰阻電動機(SRM)是一種新型電動機，也稱為可變碰阻電動機(VRM)，它的結構比其他任何一種電動機都要簡單、堅固、可靠性好。開關碰阻電動機功率密度高，轉矩一轉速特性好，有高的啟動轉矩和低的啟動功率，效率可以達到85%93%。轉矩、轉速在較寬的轉速范圍內可靈活地控制，調速控制較簡單，最高轉速可以達到15000r/min。其調速系統運行性能和經濟指標比普通的交流調速系統好，被公認是一種極有發展前途的電動汽車驅動電動機。

2.開關磁阻電動機的結構。開關磁阻電動機的定子和轉子都是由硅鋼片疊片組成的，定子和轉子采用“凸極”結構形式。開關磁阻電動機的定子和轉子凸極有多種組合方式，定子凸極數量為偶數，轉子凸極數量也為偶數，一般比定子凸極少兩個，共同組成不同極數的開關磁阻電動機。最常見的三相開關磁阻電動機的定子上有6個凸極，轉子上有

4個凸極。四相開關磁阻電動機的定子上有8個凸極，轉子上有6個凸極。開關磁阻電動機的結構方案見表2一13。