电动汽车驱动系统的研究

Ｖａｌｕｅ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　・４５・　

电动汽车驱动系统的研究　

Ｔｈｅ　Ｓｔｕｄｙ　ｏｆ　Ｄｒｉｖｉｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍ　ｆｏｒ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｖｅｈｉｃｌｅ　

路福俊ＬＵ　Ｆｕ－ｊ哪　

（淄博市技师学院，淄博２５５０１３）　

（Ｔｅｃｈｎｉｃｉａｎ　Ｃｏｒｔｅｇｅ　ｏｆＺｉｂｏ，Ｚｉｂｏ　２５５０１３，Ｃｈｉｎａ）　

摘要：介绍了电动汽车的四种驱动系统：直流电动机、交流感应电机、永磁电机和开关磁阻电机，综述了各自的优缺点，阐述了发　展趋势。　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ　ｆｏｕｒ　ｄｒｉｖｅ　ｓｙｓｔｅｍｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｖｅｈｉｃｌｅ：Ｄｃ　ｍｏｔｏｒ，Ａｃ　ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ　ｍｏｔｏｒ，Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ　ｍａｇｎｅｔ　ｍｏｔｏｒ　ａｎｄ　

Ｓｗｉｔｃｈｅｄ　ｒｅｌｕｃｔａｎｃｅ　ｍｏｔｏｒ，ｓｕｍｍａｒｉｚｅｓ　ｔｈｅ　ａｄｖａｎｔａｇｅｓ　ａｎｄ　ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓ　ｏｆ　ｅａｃｈ　ｄｒｉｖｅ　ｓｙｓｔｅｍ，ａｎｄ　ｅｘｐｏｕｎｄｓ　ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｂｅｎｄ．　关键词：电动汽车；驱动系统；优缺点　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｖｅｈｉｃｌｅ；ｄｒｉｖｅ　ｓｙｓｔｅｍ；ａｄｖａｎｔａｇｅｓ　ａｎｄ　ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓ　中图分类号：ＴＭ３５２　文献标识码：Ａ　文章编号：１００６—４３１１（２０１３）１６—００４５—０３　

Ｏ引言　电动汽车的驱动系统是电动汽车的核心，驱动系统性　

能的好坏决定了电动汽车性能的好坏。作为电动汽车的驱　

动系统必须满足汽车的频繁停、启动，速度Ⅱ向应快。电动汽　

车的驱动系统应可以在恒转矩区和恒功率区运转，应启动　

转矩大，调速范围宽，以满足电机良好的启动性能和加速　

性能。转矩转速能平滑调节，满足汽车爬坡，在恶劣复杂环　

境下等全工况下的正常运行。应具有效率高，损耗少，动态　

制动强和能量回馈功能，以满足在车载总能量不变的情况　

下最大限度地增加续航里程【ｌ１。应满足较高的瞬时功率、功　

率密度和转矩密度，以提高车速，增大过载能力。应满足成　

本低，体积小，质量轻，可靠性高的要求。目前常用的几种　

电动汽车驱动系统有直流电动机、交流感应电动机、永磁　

电动机和开关磁阻电动机等各有其优缺点。　

１直流电机　

直流电机结构是定子上装有主磁极，转子上装带有线　

圈、电刷和换向器的电机。直流电机的工作原理是，电枢元　

件旋转“切割”主极磁场，产生的交流电动势经换向片和电　

刷机械换向变成直流电动势。不计磁饱和时，励磁绕组和　

电枢绕组之间没有耦合，转速可分别从磁场和电枢来控　

制，直流电动机电磁转矩控制简单，方便，动态响应较快。　

调速范围宽广，转速调节平滑，具有交流电机不可比拟的　

电磁转矩特性，这些是直流电机的突出优点。非常适合电　

动汽车对驱动系统要求的调速范围广，动态响应快的特　

点。另外直流电机有良好的启动性能，通过电枢回路接入　

变阻器和降压启动基本能达到启动电流小，启动过程平滑　

等优点，直到２０世纪８０年代中期，直流电机仍是国内外　

电动汽车用电机的主要研发对象翻。　

但是直流电机体积和重量大，价格是交流电机的２—３　

倍。在换向时易产生火花，引起电磁干扰，使之无法适用高　

速，大容量场合。换向器和电刷需经常换，维护复杂，寿命　

短，可靠性低。不适宜在多尘、潮湿、易燃的环境下运行且　

供电电压也受限制『３］。　

早期的电动汽车驱动系统几乎都采用直流电机，最早　

作者简介：路福俊（１９５７一），男，山东菏泽人，高级讲师，本科，电气　

工程系主任，研究方向为机电一体化。　用机械开关通过调节串联电池的个数来改变电机电枢电　压，后来通过直流斩波来调节电机电枢电压，但效率都很　

低，可靠性也较差。随着交流电机直接转矩控制和矢量转　

矩控制的发展，直流电机有逐渐被取代淘汰的趋势。　

２感应交流电机　感应交流电机的定子由定子铁心、定子绕组和机座组　

成。转子有转子铁心、转子绕组和转轴组成，无换向器。运　

行原理基于交流旋转磁场理论，即：三相对称定子绕组馈　

入三相对称交流电流可建立圆形旋转磁场，在转子内感应　

电流以实现机电能量转换。　

按转子绕组来分可分为笼型感应电机和绕线型感应　

电机。在电动汽车的驱动系统中多用这种笼型感应电机，　

笼型感应电机的转子的绕组是笼型，定子绕组是一个对称　

的三相绕组，定子和转子之间没有相互接触的部件，这种　

电机的优点是结构简单，体积小，运行可靠，制造方便，易　

维护，价格低，转矩脉动小，噪声小，转速极限高，转速可达　

１２０００—１５０００ｒ／ｍｉｎ。转速范围宽，技术成熟，是一种经济耐　

用的电机。能在四象限运行，能再生制动。易向高压、高速、　

大容量方向发展。是现在电动车驱动系统中主流使用的驱　

动系统。　

缺点是在动态过程中，感应交流电机电磁转矩的准　

确、有效控制是一个难题。交流电机的转速受电源频率的　

制约。因此，交流电机的调速比较困难。传统的脉冲宽度调　

节和变频变压调速系统已不能满足电动汽车的驱动系统，　

近来发展起来的矢量控制和直接转矩控制使感应电机有　

了更宽的调速范围，有既能运行在基速以下的恒转矩区，　也能运行在基速以上的恒功率区的机械特性。但交流调速　

技术存在系统复杂、价格昂贵、性能指标有待进一步提高　

的问题。感应电机的调速系统略低于直流电机的调速系　

统，另外感应电机的功率因数恒为滞后，功率因数低，普通　

交流电机空载时功率因数为０．２～０．４，满载时为０．８６～０．８９，　

小负荷范围内效率较低，转速下降时励磁电流增加，效率　

下降，转速越低，负载越小，效率越低。低速下无法长期运　

行，否则将导致感应交流电机温升过高，驱动电路复杂，若　

ＩＧＢＴ由于强干扰出现导通错误，有可能导致ＩＧＢＴ短路烧　

毁。另外感应交流电机起动电流大，不适用于重载起动、频　

繁起动、频繁正反转等场合。这些特点对于电动汽车来说　・４６・　价值工程　

是不利因素。其功率密度和效率密度也低于永磁电机。感　

应交流电机作为电动汽车的驱动系统逐渐失去其强势。　

３永磁电机　永磁电机是用永磁体取代电流励磁以产生气隙磁场　

的电机，可以减少电源的耗电量，对于整机设备来说有很　大的经济价值。永磁电动机具有高的功率，质量比，比其他　

类型的电动机有更高的效率，更大的输出转矩　。电动汽车　

用永磁电机主要是永磁无刷电机，永磁无刷电机包括永磁　

直流无刷电机和永磁同步电机。　

３．１永磁直流无刷电机永磁直流无刷电机亦称矩形　

波永磁无刷电动机，永磁体所产生的气隙磁场为矩形波。　

理想的矩形波磁场会产生恒定的电磁转矩。永磁无刷直流　电机其工作原理是通过位置传感器检测到转子位置，然后　

通过开关控制线路控制定子绕组的通断电，实现电子换　

相。无机械磨擦，运行可靠，结构简单，不但具有原直流电　

机的优点同时还具有调速精度高，体积小效率高，高启动　

转矩等优点，特别适合于独立电机驱动尤其是轮边驱动的　

电动汽车［５１。缺点是由于换相电流很难达到理想状态。因此　

存在转矩脉动、振动噪声等问题，另外恒功率弱磁控制一　

直是其应用难点，高速受到限制。　

３．２永磁同步电机永磁同步电机亦称正弦波永磁无　

刷电动机，嵌入式的永磁体的安装方式使电机更牢靠，转　

子在高速时永磁体不至于被甩出，为电机的高速运转提供　

了条件。永磁同步电机产生的是理想的恒转矩。基速下常　

用电流控制策略，单位电流最大转矩控制实现了电动汽车　

需要的低速下的最大转矩，同时满足相同转矩下的电流最　

小而降低了损耗提高了效率。永磁同步电机具有在弱磁控　

制下的基速以上的恒功率区尽可能宽广的调速范围，这也　

是电动汽车所需要的特性。另外采用最大转矩控制和弱磁　

控制相结合的同步永磁电机具有良好的功率特性。因此永　

磁同步电机在电动汽车的驱动系统中具有很强的竞争力。　

但永磁同步电机的缺点是在启动时容易产生制动转矩，造　

成启动困难，采用转子磁滞环在启动时增加磁滞和涡流转　

矩来克服制动转矩，造成转子成本增高。另一方面永磁体　

需冷却，在震动下有退磁现象，是永磁电机作为电动汽车　

驱动系统的不利因素。　

永磁电机比较适合电动汽车的驱动系统，并且已在电　

动汽车中使用，日本、美国、法国等国家已有一定的研究和　

使用。永磁电机在电动汽车中有良好的使用前景，但由于　价格较昂贵，目前只在小功率的电动汽车中应用。　

４开关磁阻电机　

开关磁阻电机是一个双凸极可变磁阻电机，双凸极的　

结构造成了电机内部磁场的严重非线性，磁通沿磁阻最小　

方向闭合，是开关磁阻电机的运行原理。只要在定子和转　

子齿非对齐位置给相绕组通电，扭曲的磁力线产生磁应力　

使转子旋转，沿不同相顺序给相绕组通电，电机就会产生　

相应的正反转，在电感上升区给相绕组通电产生正转矩，　

在电感下降区给相绕组通电产生负转矩。可四象限运行，　

可用于电动和制动状态。　４。１开关磁阻电机节能，效率高开关磁阻电机系统是　

一种机电一体化节能型调速电机系统。它的功率变换简单，　

整个调速系统通过开关管的导通和关断以及电流幅值的控　

制易于实现系统的软启动和四象限运行，具有明显的相对　优势。开关磁阻汽车发电机与普通交流发电机相比，不需要　

专用的整流二极管和电压调节器即能输出脉冲直流电，非　

常适合于蓄电池贮存电能，并且可以通过控制器控制充电，　

从而实现智能型充电，可以省电节能，提高蓄电池寿命网。功　率变换器的电流续流流向电池，实现了能量回馈，提高了效　

率，节约电能效果显著。转子上无绕组，没有铜耗，而且涡流　

损耗小，使其在很宽的速度范围内效率达８７％，不仅在额定　

输出状态下，而且在宽广的调速范围内也能保持高效率运　

行，比传统驱动系统高出至少１０％，在低转速和非额定负载　下高效率更加明显，可增加电池的续航里程。　

４．２开关磁阻电机可靠性高，过载强由于开关磁阻　电动机的功率变换器只给电机提供单方向的电流，故其比　

异步电动机ＰＷＭ变频器简单、可靠。相绕组与开关串联　

直接相接，不会产生短路直通现象，可靠性较高。转子的凸　

极均有普通的硅钢片叠压而成，既无绕组也无永磁体，且　

非常坚固，机械强度高，过载能力强，使用寿命长。定子上　

有比较集中的绕组，易固定，比较牢靠，制造工艺简单，这　

种结构可允许较高的温升，易冷却，所以可以适当地提高　

电机的能量密度。具有无刷结构，适合于在高粉尘、高速、　

易燃易爆等较恶劣复杂环境下运行。开关磁阻电机的结构　

比较简单，牢固，价格相对于别的电动机来说比较便宜。　

４．３开关磁阻电机启动电流小、启动转矩大对比其　他调速系统启动性能，启动电流小，启动转矩大。直流电动　

机１００％的启动电流获得１００％启动转矩，鼠笼感应电动　

机为３００％的启动电流获得１００％的转矩。而开关磁阻电　

机启动电流为１５％的额定电流时就获得了１００％的额定　

转矩，启动电流在３０％的额定电流时，启动转矩可达其额　

定值的１５０％。开关磁阻电机启动电流小，电机发热小，适　于电动汽车的频繁启动、停车及正反转，适合于重载启动　

和较长时重载低速运行的电动车辆。在额定电压下，电动　

机在恒转矩特性转速范围内的最大转矩不低于额定转矩　

的１３０％。瞬间可输出４倍以上的扭矩，可提高电动汽车的　

性能；高转矩性能能很好地满足汽车的爬坡功能。　

４．４开关磁阻电机调速性能好，适于高速，功率因数