电动车之电机

电动汽车之电机 文章摘自 崔纽藏《车辆》

题词：用技术创新来降低电动汽车之成本

摘要：电动国汽车的主要成本在电池、充电机、电机和控制器，以快速充电的电池和充电网络之保障，减少电池车载量，以组合电机和磁力驱动器来替代主电机和电子调速控制器，机械变速箱和离合器，以降低成本，用自主知识产权的驱动技术来取代汽车电子控制技术，免得日后受制于外国专利。

国内中低档轿车价格日趋下降，2004年10月份国内奥托和吉利竞争推出极低价轿车，3万元/辆以内，相比这下：电动汽车目前成本仍高居不下，究其原因是：电动汽车目前尚处于研发阶段，样车和试运行阶段，根本无批量可言，这是与流水线生产燃油汽车所不能比拟的，这是现实，也是可以理解的。

同时目前各式电动汽车能示范运行的，都是在原燃油汽车的底盘、车厢之基础上改装而成的，即将发动机、油箱等系统全数拆下，然后装上电动机，电池等相关配套设备就形成电动汽车，而混合动力是在原然油系统基础上加装一套电池、电气驱动系统，形成了油、电混合驱动系统。那么，电动汽车成本主要就在电池、充电机、驱动电机、控制器和电源转换设备等产品组成，约占到整车造价成本50—60%。

目前以纯电动汽车为例，电池有采用铅酸电池、镍氢电池、锂电池，电源有的采用直流电源、驱动直流电机，有的将车载直流电源经逆变器转换成交流电三相380V，供给三相异步电机，采用变频设备来调速。

电池品种不同和储电量不同，其总体造价差异很大，另外电动汽车之储电量加大多少，使成本成倍增长，如锂电池装备轿车，如续行里程300km，电池成本约4万元以上，500km以上续行里程，电池成本为8万元以上，这种研发思路是白天行驶晚上充电，为了使续行里程不亚于燃油汽车，就构成了电池成本的居高不下。

电动汽车驱动电机不同，其成本也差异甚大，若采用直流有刷电机，车载电源可直接供给电机，使用这种电机采用晶闸管式控制器斩波方式调速。目前电动汽车用直流有刷电机已经能满足电动汽车使用要求，但由于产量有限成本很高，品种规格不多，选择余地较小，晶闸管控制器原采用外国公司如意大利和美国产品，现在可以国产化，成本较高，同时关键元器件均采用外国公司生产和控制。

若用直流无刷电机，其必须与控制器一体制成，成本更高。以调电源脉冲宽度来调电机转速，优点是体积小，重量轻。电机能国产化，控制器的关键元器件均由国外公司生产，成本降下来可能性不大，且目前这种电机与电动汽车一样属研发阶段，形不成批量，成本高就在情理之中。

若用交流异步电机作为电动汽车驱动电机，其优点：体积小、重量轻，国产质量不差，由于车载电源系直流电，需将电源经逆变器转换成交流电，汽车电机电压380V左右，功率在几十kw不等，其逆变器功率不小，成本也不会低到哪里去，交流电机调速由变频方式调速，交流异步电机采用变频变压控制（VVVF）和磁场定向控制（FOC）也称

矩量控制或解耦控制、变极控制。变频控制器国产、进口都有，但关键元器件均为进口，因此，要降低成本也不太可能。

至于正在研发中的磁阻电机，也要由电子控制器来控制调速，其成本情况与上述相同。开关磁阻电机采用模糊滑模控制（FSMC）方法来控制电机和调速，它若没有这种电子控制设备，电机就不能工作。

电动机的转速越高则电枢绕且切割磁场越快，产生的反电势越高。反而限制了电流，使转矩降低，低转速下却可输出较大转矩。因此在阻力较大的路面或走上坡路时，由于转矩较大，所以要消耗较大的电流，换句话说，电动机在低速运动，电动车在慢速行驶时，电流输出并不小，只是电压降低了。

电动机要调速度，就得通过改变电压来实现，这是电动机调速的理论基础。而将车载电源之电压降低至电机调速之低电压，将有限的电源消耗在频繁的调速中，是一种浪费。

电机最高效率在额定转速那里，往下调速就效率低，转速越低效率越低。而为了提高车载电源的利用率，应该希望电机的效率越高越好。

电动汽车驱动电机，要求启动、爬坡时高转矩，高速行驶时要求低转矩，要求变速范围大。直流有刷电机、直流永磁无刷电机、交流异步电机、磁阻电机是目前电动汽车驱动电机的主流技术和首选机型，它们有一个不可避开的设备，电子控制设备和微机控制技术，这个构成了电动汽车成本的主要部份之一和技术障碍，目前核心技术掌握在外国人手中，我们要就得向他们购买，将来中国各种电动汽车推开形成产业，或有朝一日中国能出口电动汽车时，国外控制器核心技术拥有者会象彩电、DVD一样，来收专利费，这是后话，但这种可能并非天方夜谭。

若要降低电动汽车总成本，只能在电池、充电器、电机、控制器产品方面作文章。要用技术创新的思路来改变这一局面，发明出一种新的电机驱动，变速机构系统和电池充电模式，走自己特色的路。

如果在电动汽车上电池装的少，在确保电机正常运作，同时在各种路况运行条件下，不损害电池寿命的前提下，以一次充电续行里程200km左右，也即所载电池供电机，整车工作2—3小时，然后在快速充电机上补充电源，这就要求电池能以1C以上或2C--3C电流充电。另外电动车应在一个城市一个区域行驶，在它们的行驶范围内有公用充电站，在极短时间内如10分种、15分钟将电池组充至80%--90%，能行使

100km--150km。电动汽车本身配有车载充电器，回家在车库里慢充电，车载电池装得少，整车质量就小，能有效增加载荷，造价也低。

电动机应采用直流有刷电机，稍作改进后直接驱动，不用逆变电源，削去这一块成本，电机调速问题不采用暂波，调脉，调频率的通常做法，改用调内燃机油门的原理，车用驱动电机之功率，分解成若干个小功率电机，组成一个组合电机，该组合内的各个电机功率相等或功率大小不一，在启动、加速、轻载、重载、爬坡、怠速时分别启动或关闭其中几个电机，使之工作或停机。即驾驶员根据电动汽车实际运行状况来调节

电机工作的数量和总功率，而工作的电机始终以额定转速恒定输出转速和扭矩，而不必对其进行调速，这样就不再用电子控制器和调速器。 多电机驱动能减小整车主电机的电流和额定值功率，减小单个电机驱动时所需大电流对车载电池的冲击，这点对已使用较长时间寿命的电池和车载电池组内所储电量不多时的电池情况犹为重要和关键，能延长电池使用寿命。

目前在研制的电动汽车，其驱动机构中，有的仍保留原汽车中的机械变速器和离合器，这主要是电动机调速控制的不是很理想所致，因而保留了它。应取消原机械变速箱和离合器，采用磁性驱动器，来无极变速，通过调节主动和从动器件的间距，就能达到变速箱离合器的作用，与组合电机二者配合，就成了一个有机整体的电机驱动系统。磁力驱动器调速可和单个大电机进行匹配也可与组合电机之几个小功率电机进行匹配，在这种匹配中，电机始终以额定转速在工作，由于磁力驱动器的调节，电动车的车速快、慢有变化，这时电机的负载，转矩就跟着变化，即整车需要大的转矩，电机或电机组就输出大转矩，反之就输出小转矩，电机的转矩变化随整车之需要而变化，电机的功耗也随之变化，这样就做到整车需多少转矩，电机就输出多少转矩，就耗多少电，既节能又不必通过复杂的电机控制系统。电机运行时，转速越高，转矩越小，转速越低，转矩越大，这就是载重负载大，或爬坡时要降低转速加大转矩，而和电动机正好达到了统一。中国稀土永磁材料在世界上 居优势地位，应着力开发应用，而用直流稀土永磁有刷电机与磁力驱动器，就完全利用稀土永磁材料，完全具有中国自主知识产权，整个成本也大大低于“电机、控制器、机械变速箱、离合器”的总成本。而且将来也不受制于外国公司。

电动汽车包括纯电动汽车、混合动力汽车、燃料电池汽车，它们都以电动机来驱动行驶的，若组合电机和磁力驱动器能应用到这些车上，对这种车型的总成本会降低很多，这样就容易为市场所接受，与内燃机汽车相比，更具竞争力。因此组合电机和磁力驱动器的研发，将对电动汽车研发，产业化起到推动作用，具积极意义。

如果用价格甚低的汽车如奥托、吉利，3万元/辆，撤除发动机、离合器、变速箱、油箱、供油系统等，那么扣去这一块成本约5000—6000元左右，那么整车成本约2.5万元/辆左右，然后配上电池组，车载充电机、电机、磁力驱动器等，其总成本在3万—3.5万元套，那么经济型家用或出租用电动轿车，其成本在6—7万元左右是可以实现的。这种轿车是有竞争力的，而且电费经测算约10元/100km，每100km耗电18kw/h左右。一般普通轿车每百公里耗油为8升/100km，按2004年10月份油价

3.63元/升计，约30元/100kw的耗油费。前者是后者的1/3，如果2005年实施燃油税，那么油耗用将进一步增加，而电动汽车目前应属扶持对象，而且电费2005年变化不会太大，其耗电费也不会增加，两者相较，电动汽车在运行费用方面是有竞争力的。

电动汽车驱动电机性能比较

摘要：驱动电机系统是电动汽车的关键技术之一。本文对电动汽车的几种典型驱动系

统进行了定性分析，对它们的性能进行了比较，指出了它们各自的优缺点。

关键词：电动汽车；驱动电机；分析；性能比较

人类与环境共存和全球经济的可持续发展使人们迫切希望寻求到一种低排放和有效利用资源的交通工具，使用电动汽车无疑是一种很有希望的方案。

现代电动汽车是融合了电力、电子、机械控制、材料科学以及化工技术等多种高新技术的综合产品。整体的运行性能、经济性等首先取决于电池系统和电机驱动控制系统。电动汽车的电机驱动系统一般由4个主要部分组成，即控制器。功率变换器、电动机及传感器。目前电动汽车中使用的电动机一般有直流电动机、感应电动机、开关磁阻电动机以及永磁无刷电动机等。

1 电动汽车对电动机的基本要求

电动汽车的运行，与一般的工业应用不同，非常复杂。因此，对驱动系统的要求是很高的。

1.1 电动汽车用电动机应具有瞬时功率大，过载能力强、过载系数应为3～4)，加速性能好，使用寿命长的特点。

1.2 电动汽车用电动机应具有宽广的调速范围，包括恒转矩区和恒功率区。在恒转矩区，要求低速运行时具有大转矩，以满足起动和爬坡的要求；在恒功率区，要求低转矩时具有高的速度，以满足汽车在平坦的路面能够高速行驶的要求。

1.3 电动汽车用电动机应能够在汽车减速时实现再生制动，将能量回收并反馈回蓄电池，使得电动汽车具有最佳能量的利用率，这在内燃机汽车上是不能实现的。

1.4 电动汽车用电动机应在整个运行范围内，具有高的效率，以提高1次充电的续驶里程。

另外还要求电动汽车用电动机可靠性好，能够在较恶劣的环境下长期工作，结构简单适应大批量生产，运行时噪声低，使用维修方便，价格便宜等[1-2]。

2 电动汽车用电动机的种类和控制方法

2.1 直流电动机

有刷直流电动机的主要优点是控制简单、技术成熟。具有交流电机不可比拟的优良控制特性。在早期开发的电动汽车上多采用直流电动机，即使到现在，还有一些电动汽车上仍使用直流电动机来驱动。但由于存在电刷和机械换向器，不但限制了电机过载

能力与速度的进一步提高，而且如果长时间运行，势必要经常维护和更换电刷和换向器。另外，由于损耗存在于转子上，使得散热困难，限制了电机转矩质量比的进一步提高。鉴于直流电动机存在以上缺陷，在新研制的电动汽车上已基本不采用直流电动机[3]。

2.2 交流三相感应电动机

2.2.1 交流三相感应电动机的基本性能

交流三相感应电动机是应用得最广泛的电动机。其定子和转子采用硅钢片叠压而定子之间没有相互接触的滑环、换向器等部件。结构简单，运行可靠，经久耐用。交流感应电动机的功率覆盖面很宽广，转速达到12000～15000r/min。可采用空气冷却或液体冷却方式，冷却自由度高。对环境的适应性好，井能够实现再生反馈制动。与同样功率的直流电动机相比较，效率较高，质量减轻一半左右，价格便宜，维修方便。

2.2.2 交流感应电动机的控制系统

由于交流三相感应电动机不能直接使用蓄电池供给的直流电，另外交流三相感应电动机具有非线性输出特性。因此，在采用交流三相感应电动机的电动汽车上，需要应用逆变器中的功率半导体器件，将直流电变为频卒和幅值都可以调节的交流电来实现对交流三相电动机的控制。主要有v/f控制法、转差频率控制法。

用矢量控制法，对交流三相感应电动机的励磁绕组交流电的频率和输入交流三相感应电动机的端调控制，控制交流三相感应电动机旋转磁场的磁通量和转矩，实现改变交流三相感应电动机转速和输出转矩，来满足负载变化特性的要求，并能够获得最高效率，从而使得交流三相感应电动机能够在电动汽车上得到广泛应用。

2.2.3 交流三相感应电动机的不足

交流三相感应电动机的耗电量较大，转子容易发热，在高速运转时需要保证对交流三相感应电动机的冷却，否则会损坏电动机。交流三相感应电动机的功率因数较低，使得变频变压装置的输入功率因数也较低，因此需要采用大容量的变频变压装置。交流三相感应电动机的控制系统的造价远远高于交流三相感应电动机本身，增加了电动汽车的成本[2-4]。另外，交流三相感应电动机的调速性也较差。

2.3 永磁无刷直流电动机

2.3.1永磁无刷直流电动机的基本性能

永磁无刷直流电动机是一种高性能的电动机。它的最大特点就是具有直流电动机的外

特性而没有刷组成的机械接触结构。加之，它采用永磁体转子，没有励磁损耗：发热的电枢绕组又装在外面的定子上，散热容易，因此，永磁无刷直流电动机没有换向火花，没有无线电干扰，寿命长，运行可靠，维修简便。此外，它的转速不受机械换向的限制，如果采用空气轴承或磁悬浮轴承，可以在每分钟高达几十万转运行。永磁无刷直流电动机机系统相比具有更高的能量密度和更高的效率，在电动汽车中有着很好的应用前景。

2.3.2 永磁无刷直流电动机的控制系统

典型的永磁无刷直流电动机是一种准解耦矢量控制系统，由于永磁体只能产生固定幅值磁场，因而永磁无刷直流电动机系统非常适合于运行在恒转矩区域，一般采用电流滞环控制或电流反馈型SPWM法来完成。为进一步扩充转速，永磁无刷直流电动机也可以采用弱磁控制。弱磁控制的实质是使相电流相位角超前，提供直轴去磁磁势来削弱定子绕组中的磁链。

2.3.3 永磁无刷直流电动机的不足

永磁无刷直流电动机受到永磁材料工艺的影响和限制，使得永磁无刷直流电动机的功率范围较小，最大功率仅几十千瓦。永磁材料在受到振动、高温和过载电流作用时，其导磁性能可能会下降或发生退磁现象，将降低永磁电动机的性能，严重时还会损坏电动机，在使用中必须严格控制，使其不发生过载。永磁无刷直流电动机在恒功率模式下，操纵复杂，需要一套复杂的控制系统，从而使得永磁无刷直流电动机的驱动系统造价很高[5-10]。

2.4 开关磁阻电动机

2.4.1 开关磁阻电动机的基本性能

开关磁阻电动机是一种新型电动机，该系统具有很多明显的特点：它的结构比其它任何一种电动机都要简单，在电动机的转子上没有滑环、绕组和永磁体等，只是在定子上有简单的集中绕组，绕组的端部较短，没有相间跨接线，维护修理容易。因而可靠性好，转速可达15000 r/min。效率可达85%～93%呢，比交流感应电动机要高。损耗主要在定子，电机易于冷却；转子元永磁体，调速范围宽，控制灵活，易于实现各种特殊要求的转矩一速度特性，而且在很广的范围内保持高效率。更加适合电动汽车动力性能要求。

2.2.4 开关磁阻电动机的控制系统

开关磁阻电动机具有高度的非线性特性，因此，它的驱动系统较为复杂。它的控制系

统包括功率变换器。

a． 功率变换器

开关磁阻电动机的励磁绕组，无论通过正向电流或反向电流，其转矩方向不变，期换向，每相只需要一个容量较小的功率开关管，功率变换器电路较简单，不会出现直通故障，可靠性好，易于实现系统的软启动和四象限运行，具有较强的再生制动能力。成本比交流三相感应电动机的逆变器控制系统要低。

b．控制器

控制器由微处理器、数字逻辑电路等元件组成。微处理器根据驾驶员输入的命令，同时对位置检测器、电流检测器所反馈的电动机转子位置，进行分析、处理，并在瞬间做出决策，发出一系列执行命令，来控制开关磁阻电动机适应电动汽车不同条件下运

行。控制器性能好坏和调节的灵活性，取决于微处理器的软件和硬件的性能配合关系。 c．位置检测器

开关磁阻电动机需要高精度的位置检测器，来为控制系统提供电动机转子的位置、转速和电流的变化信号，并要求有较高的开关频率以降低开关磁阻电动机的噪声。

2.4.3 开关磁阻电动机的不足

开关磁阻电动机的控制系统比其他电动机的控制系统复杂一些，位置检测器是开关磁阻电动机的关键器件，其性能对开关磁阻电动机的控制操作有重要影响。由于开关磁阻电动机为双凸极结构，不可避免地存在转矩波动，噪声是开关磁阻电动机最主要的缺点。但近年来的研究表明，采用合理的设计、制造和控制技术，开关磁阻电动机的噪声完全可以得到良好的抑制。另外，由于开关磁阻电动机输出转矩波动较大，功率变换器的直流电流波动也较大，所以在直流母线上需要装置一个很大的滤波电容器

[2,11-13]

3 电动汽车采用的备种驱动电动机性能比较

电动汽车在不同的历史时期采用了不同的电动是采用了控制性能最好和成本较低的直流电动机。随着电机技术、机械制造技术、电力电子技术和自动控制技术的不断发展，交流电动机。永磁元刷直流电动机和开关磁阻电动机显示出比直流电动机更加优越的性能，在电动汽车上，这些电动机逐步取代了直流电动机。表1为现代电动汽车所采用的各种电动机的基本性能比较。目前交动机、永磁电动机和开关磁阻电动机以及它们的控制装置，成本还比较高，形成批量生产以后，这些电动机和单元控制装置的价格会迅速降低，将能够满足经济效益的要求，并使电动汽车整车价格降低[2]。