纯电动汽车电机驱动系统分析

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当前推广的新能源汽车，包括燃料电池汽车、纯电动汽车和插电式混合动力汽车。其中，纯电动汽车因为显著的环境效益和能源节约效益，尤其是在使用过程中无大气污染物直接排放，所以受到国家层面的大力推动。纯电动汽车主要由电机驱动系统、整车控制系统和电池系统3部分构成。其中，电机驱动系统的主要部件包括电机、功率转换器、控制器、减速器以及各种检测传感器等，功能是将电能直接转换为机械能。电机驱动系统作为纯电动车行使过程中的主要执行结构，其驱动特性决定了主要驾驶性能指标[1]。因此，要改善纯电动汽车的行驶性能，就需研究电机驱动系统的优化方案。

1电机驱动集成装置

纯电动汽车的电机驱动系统中，电机将电能转换为动能以产生驱动转矩，而减速器与电机传动连接，在电机和执行机构之间起匹配转速和传递转矩的作用。目前，电机驱动系统的这3部分主要采用分体设计，然后由整车厂组装成为一个整体。这种组装形成的电机驱动装置，整体体积一般很大，因而对空间需求也大。为使电机驱动装置能便利地在整车机舱布置，现有的一种解决方案是集成关联的电机驱动部件。如图1所示，此新型装置由驱动电机、控制器、减速器和连接轴等主要部件集成。在电机驱动集成装置中，减速器位于驱动电机的第一端，且与其延伸出的输出轴传动连接。连接轴与减速器传动连接，且沿驱动电机的侧面向其第二端延伸。控制器位于连接轴的上方，与其连接的接线盒用于容置驱动电机的电源线和控制线[2]。减速器的连接轴沿驱动电机的侧面延伸，使得整个电驱动装置的长宽尺寸相对较少。由于连接轴的尺寸远小于电机的尺寸，且其所处位置的高度相对较低，将控制器直接设置在连接轴上方，就实现整体高度的降低。相比于将控制器设置于电机的上方，此电机驱动集成装置充分利用连接轴上方的空间，做到较小体积，因而对空间需求也小。

2定子铁芯绕组绝缘隔离部件

纯电动汽车的驱动电机由定子和转子组成，通过它们的相对旋转实现电能与机械能的转换。定子由铁芯和绕设在铁芯上的绕组构成，是旋转电机的固定部分。铁芯上通常开设有安装槽，绕组所包含的绕组导线则穿设在安装槽中。为了确保绕组与铁芯之间以及绕组导线之间的电气绝缘，安装槽内通常设置有绝缘隔离件。绝缘隔离件占据的槽内空间越大，安装槽的槽满率越小，旋转电机的功率密度和转矩也会越小。为提高绕组导线占据安装槽内空间比例，现有的一种解决方案是减少铁芯绕组电气绝缘隔离件。如图2所示，铁芯的安装槽中布设有多个导线组，多个导线组在安装槽的深度方向逐个分布。传统的绝缘隔离件通常由绝缘纸折弯成占据较大槽内空间的S型或B型。此新型绝缘隔离部件则利用同一安装槽中依次两两分布的绕组导线相位基本相同的特点，将隶属于同一个导线组的两根绕组导线直接接触，避免在两者之间设置绝缘隔离件，进而采用绝缘折弯组件来绝缘隔离相邻的两个导线组及导线组与安装槽的内壁[3]。由于同一个导线组内的两根绕组导线之间无需设置绝缘隔离件，因此能减少安装槽内的绝缘隔离部件所占据的空间，相应地提高绕组导线的布设空间，即安装槽的槽满率。

3并联逆变功率模块

纯电动汽车通过逆变器将动力电池的输出端与电机的三相绕组连接，将直流输出转变为交流输出，以供电机驱动系统运行。随着大功率驱动电机的广泛应用，电机驱动系统的功率密度要求更高。若使用传统三相全桥逆变器，会受功率器件的最大允许电流限制，容易产生过流、过热等常见的失效模式。如果逆变器的一个桥臂出现故障而不能正常开闭，则整个电机驱动系统将不能工作，导致电动汽车失去动力，带来安全隐患。为降低逆变模块中使用的功率器件的功率要求，现有的一种解决方案是并联设置逆变功率模块。如图3所示，此新型电机驱动系统的第一逆变功率模块和第二逆变功率模块为硬件完全相同的逆变功率模块。两逆变功率模块的直流输入端均连接电动车的动力电池输出端，而模块的交流输出端则输出三相交流电至交流电机上对应的三相绕组[4]。第一逆变功率模块和第二逆变功率模块中的对应位置处分别设置有第一传感器和第二传感器。电机驱动系统配置互校单元，将两个传感器分别获得的信号进行相互比较以判断第一逆变功率模块和第二逆变功率模块的故障情况。任一逆变功率模块发生故障时，其对应的三相交流输出端被切断，并且另一逆变功率模块的三相交流输出端保持输出三相交流电，提供原来一半的功率输出，保障电动汽车可以持续地安全运行。

4电机驱动系统优化方案

目前，国内的纯电动汽车驱动系统仍以单电机驱动为主。鉴于纯电动汽车运行过程中的行驶工况较为复杂，包括频繁启停、快速超车、高速巡航、低速爬坡等，电动汽车只设有单独的驱动电机很难满足车辆在不同路况下的直接驱动要求。同时，由于电机输出转速及转矩不能调节，故在整个综合工况下，电机系统的效率比较低。为克服上述缺陷，纯电动汽车应设计双电机驱动系统的优化方案，提高车辆在不同行驶工况下的驱动效率，从而增加整车的续航里程。图4所示是一种双电机驱动系统，包括信号单元、整车控制器、第一电机控制器、第二电机控制器、低速驱动电机及高速驱动电机。信号单元将车辆信号传送到整车控制器，整车控制器根据接收到的车辆信号来识别驾驶指令，并根据车速与阈值V1和V2的比较来确定传送至第一电机控制器及第二控制器的控制命令，其中V1<V2。当车速低于速度V1时，整车控制器通过第一电机控制器控制低速电机运行，低速驱动电机输出相应的扭矩。当车速大于V2时，整车控制器通过第二电机控制器控制高速驱动电机运行，高速驱动电机输出相应的扭矩。当车速大于V1且小于V2时，整车控制器通过第一电机控制器及第二电机控制器控制低速电机和高速电机同时运行，双电机配合输出相应的扭矩[5]。纯电动汽车现阶段使用的主要驱动电机的是异步感应电机和永磁同步电机。如表1所示，因为永磁同步电机效率高、体积小和重量轻，所以在国内纯电动汽车上较多使用。但永磁同步电机需要使用稀土永磁材料钕铁硼，而稀土资源又较为贫乏，出于降低电机成本及提高加速性能的考虑，国外纯电动汽车上较多使用异步感应电机。异步感应电机的不足主要是效率偏低以及对冷却系统和调速器的性能要求很高。通过动力分流的方式，采用前后布置两种不同电机的方案[6]，即前置永磁同步电机+后置异步感应电机，可以充分利用永磁同步电机和异步感应电机的各自特点，进一步优化双电机驱动系统，实现纯电动汽车的高性能兼长续航。如图5所示，永磁同步电机主要负责中低速的日常驾驶，而异步感应电机则主要负责提供极佳的加速性能和高速度，这是一种节省成本并提供强大动力的高效组合。永磁同步电机采用永磁体生成电机的磁场，在瞬态仍然可以保证较高的效率，同时有着更大的功率密度，因而适用于频繁启停的工况以及较小的布置空间。异步感应电机是将转子置于旋转磁场中，成本低、可靠性更高，同时稳态的效率也不错，因而适用于高速行驶的工况以及较大的布置空间[7]。采用两种不同电机共同驱动车辆，大多工况仅用单电机驱动的模式就能满足，剩余场景则采用同时双电机的大功率输入来保证。因为永磁电机需克服反拖力矩，而感应电机无需克服，所以采用永磁同步+异步感应的双电机驱动方案效率更高。结合前文所述的电驱动装置集成化、定子绕组电气绝缘精简化和逆变功率模块并联化的技术，均适用于永磁同步电机和异步感应电机，可以再进一步优化纯电动汽车双电机驱动系统。其中，电驱动部件集成技术可进一步缩减电驱动装置的整体尺寸，优化前后机舱的布置。定子绕组电气绝缘隔离件简化技术可提高安装槽的槽满率，优化绕组导线的布设空间。逆变功率模块并联技术可降低功率器件的上限要求，削减安全隐患。因此，通过集成化、精简化和并联化，永磁同步+异步感应的双电机驱动系统的成本、效率和安全性能得到进一步的提升。

5结束语

为改善纯电动汽车的性能，对国内主要纯电动汽车电机驱动系统的技术特点进行分析，并结合电机技术的主流路线，研究当前电机驱动系统的优化方案。经探讨，现阶段纯电动汽车电机驱动系统的优化方案应为，采用前置永磁同步电机+后置异步感应电机的双电机驱动，辅以电驱动装置集成化、定子绕组电气绝缘精简化和逆变功率模块并联化。

参考文献：

［1］单佳佳.浅谈电动汽车电机控制系统发展趋势［J］.科技经济导刊，2018，26（21）：113.

［2］广州小鹏汽车科技有限公司.一种电机及电驱动集成系统［P］.中国专利：207968219，2018-10-12.

［3］恒大法拉第未来智能汽车（广东）有限公司.一种旋转电机及其定子［P］.中国专利：10904783，2018-12-14.

［4］上海蔚来汽车有限公司.电动汽车的电机驱动系统［P］.中国专利：207374164，2018-05-18.

［5］张振远.电动汽车双电机级联驱动控制系统研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2018.

［6］常成.分布式驱动电动汽车双馈电机驱动系统研究［D］.长春：吉林大学，2017.

［7］李政.电动汽车电机驱动控制系统研究［D］.太原：中北大学，2018.

作者:朱泳贤 单位:肇庆小鹏汽车有限公司