电动汽车的动力驱动系统

1. 动力驱动系统基础

01驱动电机分类

电机是实现电能与机械能相互转换的装置，分为电动机和发电机。电动机是将电能转换为机械能，发电机是将机械能转换为电能。电机按电流性质又可分为直流电机和交流电机两大类：直流电机是指通入定子绕组中的电流是直流电；交流电机是指通入定子绕组中的电流是交流电。电机的分类如下图所示。

永磁同步交流电机具有功率密度高、转矩转速特性好、转速范围大、控制简单等优点，在新能源汽车中被广泛使用。目前北汽、吉利、荣威、江淮、长安、宝马、大众等品牌新能源车型普遍采用永磁同步交流电机。

02驱动系统特点

纯电动汽车按照驱动电机的安装位置可分为车轮电机驱动和中央传动系电机驱动两种形式。车轮电机驱动包括轮毂电机驱动和轮边电机驱动，有前桥驱动、后桥驱动和四轮驱动三种形式，如下图所示。车轮电机驱动能进一步减少驱动系统的部件，但由于轮毂电机和轮边电机的控制协调难度大，成本较高，在现代电动汽车中基本不再采用，未来可能成为发展趋势。

中央传动系电机驱动与传统汽车的驱动布置形式相同。在纯电动汽车中，只需配备减速器。四轮驱动汽车则只需配备一根前桥驱动的驱动轴，或者使用第二台电机。中央传动系电机驱动如下图所示。

2. 驱动电机基本原理

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永磁同步驱动电机

永磁同步驱动电机主要由定子、转子及机体三部分构成，如下图所示。定子绕组一般制成多相（三、四、五相不等），通常为三相绕组。三相绕组沿定子铁芯对称分布，在空间互差120°电角度，通入三相交流电时，产生旋转磁场。

转子采用永磁体，采用永磁体简化了电机的结构，提高了可靠性，又没有转子铜耗，提高了电机的效率。按永磁体在转子上位置的不同，永磁同步驱动电机的转子磁极结构主要分为两种：表面式和内置式。永磁同步驱动电机具有体积小和重量轻等优势，故得到广泛应用，目前国内外大多数纯电动汽车、混合动力汽车（包含插电式混合动力汽车）以及燃料电池汽车均采用永磁同步驱动电机。永磁同步驱动电机具有高功率密度、高效率、易散热、高可靠性和较好的动态性能等优点，是当前电动车辆用驱动电机的热点。永磁同步驱动电机分为交流永磁同步电机、直流无刷永磁电机、新型永磁电机三大类，目前在电动汽车中主要采用的是交流永磁同步电机。典型的驱动电机结构如下图所示。该电机为永磁同步电机，具有效率高、体积小、重量轻及可靠性高等优点。永磁同步电机是电驱系统的重要执行机构，是电能与机械能转化的部件，依靠内置传感器来提供电机的工作信息，并将这些信息发送给电机控制器。

电机具有电动机和发电机的双重功能。电动机工作原理是电机控制器分别控制U相、V相和W相绕组，或者相邻绕组的通电、断电，在相应的绕组或相邻的绕组中产生磁场，永磁转子在磁场的作用下同步旋转，如下图所示。

车辆减速时，永磁同步驱动电机起到发电机的作用。交流发电机的工作原理是车辆减速时，驱动轮通过传动装置反拖永磁同步驱动电机转子运转，旋转的永久转子磁场，分别切割U、V、W三相定子绕组，产生三相交流电，如下图所示。

02交流异步驱动电机

交流异步电机（交流感应电机）的种类很多，但各类三相异步电机的基本结构是相同的，它们都由定子和转子这两大基本部分组成。在定子和转子之间具有一定的气隙。此外，还有端盖、轴承、接线盒、吊环等附件。
交流异步驱动电机如下图所示。

随着微电子技术、电力电子技术和自动化控制技术的快速发展，电动汽车的驱动电机采用交流感应电机的情况日益增多。国外对交流异步铸铜转子感应电机作为牵引驱动电机使用非常重视，它与直流电机相比，具有结构简单、坚固、体积小、质量轻、成本低、效率高且价格低廉等优势。电机的定子输入频率可在较大范围内变化，调速范围宽，是电动汽车用驱动电机较理想的选择，尤其是对驱动系统功率需求较大的电动客车。但交流感应电机在低速运行时，也存在效率低、发热严重、控制系统复杂等有待解决的技术问题。交流感应电机有笼型转子式和绕线转子式两种。绕线转子式交流感应电机可通过改变外电路参数来改善其运行性能，但成本高、需要维护、耐久性能不足，因而没有笼型转子式交流感应电机应用那么广泛。特别是在纯电动汽车和混合动力汽车上，笼型转子式交流感应电机得到了广泛应用。电动汽车使用的交流感应驱动电机的额定电压一般为380V，其功率电动乘用车为20～80kW，电动商用车为100～150kW。电动汽车采用交流感应电机时，应合理选定电机的容量，尽可能地避免出现“大马拉小车”的现象。根据有关动力性能参数正确地予以选择，以尽量缩短电机空载运行时间。目前国内外高性能电动汽车交流感应电机控制，主要有矢量控制和直接转矩控制两种控制方法。矢量控制方法已比较成熟，应用普遍，直接转矩控制方法有待于进一步完善。特斯拉ModelS的双电机驱动系统中后桥驱动电机采用交流异步驱动电机。北汽EC180、幻速206EV物流车等也采用了交流异步驱动电机。

3. 驱动电机控制系统

01基本功能

电机控制器控制着动力电池到驱动电机之间的能量传递，采用CAN通信控制，同时采集电机位置信号和三相电流检测信号，精确地控制驱动电机运行。纯电动汽车电机控制器内部包含DC/AC逆变器、DC/DC直流转换器（下图），部分车型电机控制器还将车载充电器、高压配电装置、PTC加热器控制器等集成在一起。其主要功能包括车辆怠速控制、车辆前进控制（电机正转）、车辆后退控制（电机反转）、DC/AC控制等。

电机控制器是动力电机驱动系统的控制中心，又称智能功率模块，由外界控制信号接口电路、电机控制电路和驱动电路组成，包括DSP电机控制板、IGBT驱动电路板、IGBT（IPM）模块、控制电源、散热系统等，一般安装在前机舱电机的上方。IGBT是电动汽车中的核心器件之一，是动力系统的重要组成部分。IGBT主要应用于以下两个子系统：电机控制系统，大功率直流/交流（DC/AC）逆变后驱动汽车电机；车载空调控制系统，小功率直流/交流（DC/AC）逆变，使用电流较小的IGBT元件。02控制技术

（1）变流技术

电机控制器实际是电力电子变流器技术的应用，是电能的变换与控制技术。当纯电动汽车或混合动力汽车处于再生制动工况时将交流电变换为直流电为动力电池充电，称为整流技术；将动力电池的高压电转换成低压电（12V），为低压电路系统提供工作电源和为辅助电池充电；一种直流电，变换为另一种直流电，称为直流斩波或者直流/直流变换；车辆正常行驶时动力电池高压直流电转换成可供驱动电机工作的高压交流电，即直流电变换为交流电，称为逆变；将一种交流电变换为另一种交流电，称为交/交变流技术。用于新能源汽车中的动力电力电子装置主要由大功率DC/AC逆变器构成，在燃料电池汽车中通常还有大功率DC/DC转换器，在深度混合动力轿车中也常常采用大功率双向DC/DC转换器，此外在各种电动汽车中还有小功率的DC/DC转换器，用于进行低压蓄电池的充电，或者采用中小功率AC/DC对动力高压蓄电池进行充电，AC/AC交/交变流技术在电动汽车应用领域中相对较少采用。（2）逆变技术
将直流电转换为交流电，向驱动电机提供工作电源，逆变电路输出的频率和电压的大小，取决于负载的实际需要，可以是定压定频的负载，也可以是调压调频的负载。（3）再生制动技术电动汽车在滑行或下坡时，利用汽车的惯性力，来带动电机从驱动状态转换为电机制动状态或转换为发电状态，将汽车滑行或下坡时的动能或者位能，在转换为电能的同时对汽车起电制动作用（相当于发动机制动），这其中有一部分能量是可以回收的。这是发动机汽车所不能实现的。电动汽车的重要节能措施之一即为能量的可回收。图4-3-2所示为电动汽车的再生制动发电系统的组成。电动汽车安装此能量回收系统，能够有效发挥电动汽车的特点，回收车轮制动、下坡滑行、高速运行及减速运行等状态下的部分能量，将其转化为电能并给蓄电池充电，充分地使用能源，从而提高电动汽车的续驶里程。

（4）DC/DC技术

在常规车辆中，交流发电机（使用发动机电源）用于为12V蓄电池充电并为电气设备供电，然而在纯电动汽车中没有发动机带动发电机，因此需要DC/DC转换器降低动力电池电压并为12V供电系统供电。