純電動汽車電機驅(qū)動系統(tǒng)分析

1、純電動汽車電機驅(qū)動系統(tǒng)分析當前推廣的新能源汽車，包括燃料電池汽車、純電動汽車和插電式混合動 力汽車。其中，純電動汽車因為顯著的環(huán)境效益和能源節(jié)約效益，尤其是在使 用過程中無大氣污染物直接排放，所以受到國家層面的大力推動。純電動汽車 主要由電機驅(qū)動系統(tǒng)、整車控制系統(tǒng)和電池系統(tǒng)3部分構(gòu)成。其中，電機驅(qū)動系統(tǒng)的主要部件包括電機、功率轉(zhuǎn)換器、控制器、減速器以及各種檢測傳感器等， 功能是將電能直接轉(zhuǎn)換為機械能。電機驅(qū)動系統(tǒng)作為純電動車行使過程中的主 要執(zhí)行結(jié)構(gòu)，其驅(qū)動特性決定了主要駕駛性能指標 1。因此，要改善純電動汽 車的行駛性能，就需研究電機驅(qū)動系統(tǒng)的優(yōu)化方案。1電機驅(qū)動集成裝置純電動汽車的電機驅(qū)動

2、系統(tǒng)中，電機將電能轉(zhuǎn)換為動能以產(chǎn)生驅(qū)動轉(zhuǎn)矩， 而減速器與電機傳動連接，在電機和執(zhí)行機構(gòu)之間起匹配轉(zhuǎn)速和傳遞轉(zhuǎn)矩的作 用。目前，電機驅(qū)動系統(tǒng)的這3部分主要采用分體設(shè)計，然后由整車廠組裝成為 一個整體。這種組裝形成的電機驅(qū)動裝置，整體體積一般很大，因而對空間需 求也大。為使電機驅(qū)動裝置能便利地在整車機艙布置，現(xiàn)有的一種解決方案是 集成關(guān)聯(lián)的電機驅(qū)動部件。如圖1所示，此新型裝置由驅(qū)動電機、控制器、減速 器和連接軸等主要部件集成。在電機驅(qū)動集成裝置中，減速器位于驅(qū)動電機的 第一端，且與其延伸出的輸出軸傳動連接。連接軸與減速器傳動連接，且沿驅(qū) 動電機的側(cè)面向其第二端延伸?？刂破魑挥谶B接軸的上方，與其連接

3、的接線盒 用于容置驅(qū)動電機的電源線和控制線2。減速器的連接軸沿驅(qū)動電機的側(cè)面延 伸，使得整個電驅(qū)動裝置的長寬尺寸相對較少。由于連接軸的尺寸遠小于電機 的尺寸，且其所處位置的高度相對較低，將控制器直接設(shè)置在連接軸上方，就 實現(xiàn)整體高度的降低。相比于將控制器設(shè)置于電機的上方，此電機驅(qū)動集成裝 置充分利用連接軸上方的空間，做到較小體積，因而對空間需求也小。2定子鐵芯繞組絕緣隔離部件純電動汽車的驅(qū)動電機由定子和轉(zhuǎn)子組成，通過它們的相對旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)電能 與機械能的轉(zhuǎn)換。定子由鐵芯和繞設(shè)在鐵芯上的繞組構(gòu)成，是旋轉(zhuǎn)電機的固定 部分。鐵芯上通常開設(shè)有安裝槽，繞組所包含的繞組導線則穿設(shè)在安裝槽中。 為了確保繞組與鐵

4、芯之間以及繞組導線之間的電氣絕緣，安裝槽內(nèi)通常設(shè)置有 絕緣隔離件。絕緣隔離件占據(jù)的槽內(nèi)空間越大，安裝槽的槽滿率越小，旋轉(zhuǎn)電 機的功率密度和轉(zhuǎn)矩也會越小。為提高繞組導線占據(jù)安裝槽內(nèi)空間比例，現(xiàn)有 的一種解決方案是減少鐵芯繞組電氣絕緣隔離件。如圖2所示，鐵芯的安裝槽中布設(shè)有多個導線組，多個導線組在安裝槽的深度方向逐個分布。傳統(tǒng)的絕緣隔 離件通常由絕緣紙折彎成占據(jù)較大槽內(nèi)空間的 S型或B型。此新型絕緣隔離部件 則利用同一安裝槽中依次兩兩分布的繞組導線相位基本相同的特點，將隸屬于 同一個導線組的兩根繞組導線直接接觸，避免在兩者之間設(shè)置絕緣隔離件，進 而采用絕緣折彎組件來絕緣隔離相鄰的兩個導線組及導線組

5、與安裝槽的內(nèi)壁3由于同一個導線組內(nèi)的兩根繞組導線之間無需設(shè)置絕緣隔離件，因此能減少安 裝槽內(nèi)的絕緣隔離部件所占據(jù)的空間，相應(yīng)地提高繞組導線的布設(shè)空間，即安 裝槽的槽滿率。3并聯(lián)逆變功率模塊純電動汽車通過逆變器將動力電池的輸出端與電機的三相繞組連接，將直 流輸出轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣鬏敵觯怨╇姍C驅(qū)動系統(tǒng)運行。隨著大功率驅(qū)動電機的廣泛 應(yīng)用，電機驅(qū)動系統(tǒng)的功率密度要求更高。若使用傳統(tǒng)三相全橋逆變器，會受 功率器件的最大允許電流限制，容易產(chǎn)生過流、過熱等常見的失效模式。如果 逆變器的一個橋臂出現(xiàn)故障而不能正常開閉，則整個電機驅(qū)動系統(tǒng)將不能工作， 導致電動汽車失去動力，帶來安全隱患。為降低逆變模塊中使用的功率器

6、件的 功率要求，現(xiàn)有的一種解決方案是并聯(lián)設(shè)置逆變功率模塊。如圖3所示，此新型電機驅(qū)動系統(tǒng)的第一逆變功率模塊和第二逆變功率模塊為硬件完全相同的逆變 功率模塊。兩逆變功率模塊的直流輸入端均連接電動車的動力電池輸出端，而 模塊的交流輸出端則輸出三相交流電至交流電機上對應(yīng)的三相繞組4。第一逆變功率模塊和第二逆變功率模塊中的對應(yīng)位置處分別設(shè)置有第一傳感器和第二 傳感器。電機驅(qū)動系統(tǒng)配置互校單元，將兩個傳感器分別獲得的信號進行相互 比較以判斷第一逆變功率模塊和第二逆變功率模塊的故障情況。任一逆變功率 模塊發(fā)生故障時，其對應(yīng)的三相交流輸出端被切斷，并且另一逆變功率模塊的 三相交流輸出端保持輸出三相交流電，提

7、供原來一半的功率輸出，保障電動汽 車可以持續(xù)地安全運行。4電機驅(qū)動系統(tǒng)優(yōu)化方案目前，國內(nèi)的純電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)仍以單電機驅(qū)動為主。鑒于純電動汽車 運行過程中的行駛工況較為復雜，包括頻繁啟停、快速超車、高速巡航、低速 爬坡等，電動汽車只設(shè)有單獨的驅(qū)動電機很難滿足車輛在不同路況下的直接驅(qū) 動要求。同時，由于電機輸出轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩不能調(diào)節(jié)，故在整個綜合工況下，電 機系統(tǒng)的效率比較低。為克服上述缺陷，純電動汽車應(yīng)設(shè)計雙電機驅(qū)動系統(tǒng)的 優(yōu)化方案，提高車輛在不同行駛工況下的驅(qū)動效率，從而增加整車的續(xù)航里程。 圖4所示是一種雙電機驅(qū)動系統(tǒng)，包括信號單元、整車控制器、第一電機控制器、 第二電機控制器、低速驅(qū)動電機及

8、高速驅(qū)動電機。信號單元將車輛信號傳送到 整車控制器，整車控制器根據(jù)接收到的車輛信號來識別駕駛指令，并根據(jù)車速 與閾值V1和V2的比較來確定傳送至第一電機控制器及第二控制器的控制命令， 其中V1V2。當車速低于速度V1時，整車控制器通過第一電機控制器控制低速電 機運行，低速驅(qū)動電機輸出相應(yīng)的扭矩。當車速大于V2時，整車控制器通過第二電機控制器控制高速驅(qū)動電機運行，高速驅(qū)動電機輸出相應(yīng)的扭矩。當車速 大于V1且小于V2時，整車控制器通過第一電機控制器及第二電機控制器控制低 速電機和高速電機同時運行，雙電機配合輸出相應(yīng)的扭矩5。純電動汽車現(xiàn)階段使用的主要驅(qū)動電機的是異步感應(yīng)電機和永磁同步電機。如表1

9、所示，因為永磁同步電機效率高、體積小和重量輕，所以在國內(nèi)純電動汽車上較多使用。但 永磁同步電機需要使用稀土永磁材料釹鐵硼，而稀土資源又較為貧乏，出于降 低電機成本及提高加速性能的考慮，國外純電動汽車上較多使用異步感應(yīng)電機。 異步感應(yīng)電機的不足主要是效率偏低以及對冷卻系統(tǒng)和調(diào)速器的性能要求很高。 通過動力分流的方式，采用前后布置兩種不同電機的方案 6，即前置永磁同步 電機+后置異步感應(yīng)電機，可以充分利用永磁同步電機和異步感應(yīng)電機的各自特 點，進一步優(yōu)化雙電機驅(qū)動系統(tǒng)，實現(xiàn)純電動汽車的高性能兼長續(xù)航。如圖5所示，永磁同步電機主要負責中低速的日常駕駛，而異步感應(yīng)電機則主要負責提 供極佳的加速性能和高

10、速度，這是一種節(jié)省成本并提供強大動力的高效組合。 永磁同步電機采用永磁體生成電機的磁場，在瞬態(tài)仍然可以保證較高的效率， 同時有著更大的功率密度，因而適用于頻繁啟停的工況以及較小的布置空間。 異步感應(yīng)電機是將轉(zhuǎn)子置于旋轉(zhuǎn)磁場中，成本低、可靠性更高，同時穩(wěn)態(tài)的效 率也不錯，因而適用于高速行駛的工況以及較大的布置空間 7。采用兩種不同 電機共同驅(qū)動車輛，大多工況僅用單電機驅(qū)動的模式就能滿足，剩余場景則采 用同時雙電機的大功率輸入來保證。因為永磁電機需克服反拖力矩，而感應(yīng)電 機無需克服，所以采用永磁同步+異步感應(yīng)的雙電機驅(qū)動方案效率更高。結(jié)合前 文所述的電驅(qū)動裝置集成化、定子繞組電氣絕緣精簡化和逆變功率模塊并聯(lián)化 的技術(shù)，均適用于永磁同步電機和異步感應(yīng)電機，可以再進一步優(yōu)化純電動汽 車雙電機驅(qū)動系統(tǒng)。其中，電驅(qū)動部件集成技術(shù)可進一步縮減電驅(qū)動裝置的整 體尺寸，優(yōu)化前后機艙的布置。定子繞組電氣絕緣隔離件簡化技術(shù)可提高安裝 槽的槽滿率，優(yōu)化繞組導線的布設(shè)空間。逆變功率模塊并聯(lián)技術(shù)可降低功率器 件的上限要求，肖U減安全隱患。因此，通過集成化、精簡化和并聯(lián)化，永磁同 步+異步感應(yīng)的雙電機驅(qū)動系統(tǒng)的成本、效率和安全性能得到進一步