純電動汽車電機驅動系統分析

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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境效益和能源節約效益，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動系統、整車控制系統和電池系統3部分構成。其中，電機驅動系統的主要部件包括電機、功率轉換器、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換為機械能。電機驅動系統作為純電動車行使過程中的主要執行結構，其驅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，就需研究電機驅動系統的優化方案。

1電機驅動集成裝置

純電動汽車的電機驅動系統中，電機將電能轉換為動能以產生驅動轉矩，而減速器與電機傳動連接，在電機和執行機構之間起匹配轉速和傳遞轉矩的作用。目前，電機驅動系統的這3部分主要采用分體設計，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。為使電機驅動裝置能便利地在整車機艙布置，現有的一種解決方案是集成關聯的電機驅動部件。如圖1所示，此新型裝置由驅動電機、控制器、減速器和連接軸等主要部件集成。在電機驅動集成裝置中，減速器位于驅動電機的第一端，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，且沿驅動電機的側面向其第二端延伸。控制器位于連接軸的上方，與其連接的接線盒用于容置驅動電機的電源線和控制線[2]。減速器的連接軸沿驅動電機的側面延伸，使得整個電驅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，將控制器直接設置在連接軸上方，就實現整體高度的降低。相比于將控制器設置于電機的上方，此電機驅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

純電動汽車的驅動電機由定子和轉子組成，通過它們的相對旋轉實現電能與機械能的轉換。定子由鐵芯和繞設在鐵芯上的繞組構成，是旋轉電機的固定部分。鐵芯上通常開設有安裝槽，繞組所包含的繞組導線則穿設在安裝槽中。為了確保繞組與鐵芯之間以及繞組導線之間的電氣絕緣，安裝槽內通常設置有絕緣隔離件。絕緣隔離件占據的槽內空間越大，安裝槽的槽滿率越小，旋轉電機的功率密度和轉矩也會越小。為提高繞組導線占據安裝槽內空間比例，現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。傳統的絕緣隔離件通常由絕緣紙折彎成占據較大槽內空間的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與安裝槽的內壁[3]。由于同一個導線組內的兩根繞組導線之間無需設置絕緣隔離件，因此能減少安裝槽內的絕緣隔離部件所占據的空間，相應地提高繞組導線的布設空間，即安裝槽的槽滿率。

3并聯逆變功率模塊

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，將直流輸出轉變為交流輸出，以供電機驅動系統運行。隨著大功率驅動電機的廣泛應用，電機驅動系統的功率密度要求更高。若使用傳統三相全橋逆變器，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故障而不能正常開閉，則整個電機驅動系統將不能工作，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件的功率要求，現有的一種解決方案是并聯設置逆變功率模塊。如圖3所示，此新型電機驅動系統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位置處分別設置有第一傳感器和第二傳感器。電機驅動系統配置互校單元，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生故障時，其對應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，提供原來一半的功率輸出，保障電動汽車可以持續地安全運行。

4電機驅動系統優化方案

目前，國內的純電動汽車驅動系統仍以單電機驅動為主。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，電動汽車只設有單獨的驅動電機很難滿足車輛在不同路況下的直接驅動要求。同時，由于電機輸出轉速及轉矩不能調節，故在整個綜合工況下，電機系統的效率比較低。為克服上述缺陷，純電動汽車應設計雙電機驅動系統的優化方案，提高車輛在不同行駛工況下的驅動效率，從而增加整車的續航里程。圖4所示是一種雙電機驅動系統，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、低速驅動電機及高速驅動電機。信號單元將車輛信號傳送到整車控制器，整車控制器根據接收到的車輛信號來識別駕駛指令，并根據車速與閾值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V1<V2。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，低速驅動電機輸出相應的扭矩。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動電機運行，高速驅動電機輸出相應的扭矩。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的扭矩[5]。純電動汽車現階段使用的主要驅動電機的是異步感應電機和永磁同步電機。如表1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電機。異步感應電機的不足主要是效率偏低以及對冷卻系統和調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+后置異步感應電機，可以充分利用永磁同步電機和異步感應電機的各自特點，進一步優化雙電機驅動系統，實現純電動汽車的高性能兼長續航。如圖5所示，永磁同步電機主要負責中低速的日常駕駛，而異步感應電機則主要負責提供極佳的加速性能和高速度，這是一種節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。異步感應電機是將轉子置于旋轉磁場中，成本低、可靠性更高，同時穩態的效率也不錯，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動車輛，大多工況僅用單電機驅動的模式就能滿足，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，而感應電機無需克服，所以采用永磁同步+異步感應的雙電機驅動方案效率更高。結合前文所述的電驅動裝置集成化、定子繞組電氣絕緣精簡化和逆變功率模塊并聯化的技術，均適用于永磁同步電機和異步感應電機，可以再進一步優化純電動汽車雙電機驅動系統。其中，電驅動部件集成技術可進一步縮減電驅動裝置的整體尺寸，優化前后機艙的布置。定子繞組電氣絕緣隔離件簡化技術可提高安裝槽的槽滿率，優化繞組導線的布設空間。逆變功率模塊并聯技術可降低功率器件的上限要求，削減安全隱患。因此，通過集成化、精簡化和并聯化，永磁同步+異步感應的雙電機驅動系統的成本、效率和安全性能得到進一步的提升。

5結束語

為改善純電動汽車的性能，對國內主要純電動汽車電機驅動系統的技術特點進行分析，并結合電機技術的主流路線，研究當前電機驅動系統的優化方案。經探討，現階段純電動汽車電機驅動系統的優化方案應為，采用前置永磁同步電機+后置異步感應電機的雙電機驅動，輔以電驅動裝置集成化、定子繞組電氣絕緣精簡化和逆變功率模塊并聯化。

參考文獻：

［1］單佳佳.淺談電動汽車電機控制系統發展趨勢［J］.科技經濟導刊，2018，26（21）：113.

［2］廣州小鵬汽車科技有限公司.一種電機及電驅動集成系統［P］.中國專利：207968219，2018-10-12.

［3］恒大法拉第未來智能汽車（廣東）有限公司.一種旋轉電機及其定子［P］.中國專利：10904783，2018-12-14.

［4］上海蔚來汽車有限公司.電動汽車的電機驅動系統［P］.中國專利：207374164，2018-05-18.

［5］張振遠.電動汽車雙電機級聯驅動控制系統研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業大學，2018.

［6］常成.分布式驅動電動汽車雙饋電機驅動系統研究［D］.長春：吉林大學，2017.

［7］李政.電動汽車電機驅動控制系統研究［D］.太原：中北大學，2018.

作者:朱泳賢 單位:肇慶小鵬汽車有限公司