純電動汽車驅動技術淺析三部曲—首篇?

純電動汽車結構和設計不同于傳統的內燃機驅動汽車，同樣是一個復雜系統工程，需要將動力電池技術，電機驅動技術，汽車技術，現代控制理論相集成，實現最優化的控制過程。國家在電動汽車科技發展規劃中，繼續堅持“三縱三橫”的研發布局，根據“純電驅動”技術轉型戰略，進一步突出“三橫”共性關鍵技術研究，即研究驅動電機及其控制系統、動力電池及其管理系統、動力總成控制系統。各大廠家依據國家發展戰略制定各自的業務發展策略。

筆者在梳理新能源動力總成開發過程中的關鍵技術，為動力總成的設計和測試生產提供理論基礎和參考。計劃分為3個篇章來分析純電動汽車動力總成中電驅動關鍵技術，今天首先介紹一下電驅動技術原理和分類。

圖1?動力總成開發中的關鍵環節

目前純電動汽車動力總成的核心關鍵技術包括以下四類：

圖2?動力總成關鍵技術

電機驅動系統定義?

根據車輛動力電池狀態和整車動力需求，把車載儲能或發電裝置輸出的電能轉成機械能，并通過傳動裝置將能量傳遞到驅動輪，并在車輛制動時把部分車輛機械能轉化成電能回饋到儲能裝置中。電能驅動系統主要包括電動機、傳動機構和電機控制器等部件。電能驅動系統技術參數設計主要包括電動機的功率、 扭矩、轉速、電壓設計，減速機構傳動比和動力電 源電容量、輸出功率、電壓、電流等設計。

圖3 電驅動系統結構圖

電驅系統的組成

圖4 電驅系統的組成

1)電機控制器

又叫逆變器，將動力電池組輸入的直流電變化交流電。核心部件：

◎?IGBT:?電力電子開關，原理：通過控制器，控制IGBT橋臂一定頻率和順序開關閉合，產生三相交流電。通過控制電力電子的開關閉合，實現交變電壓的轉換。進而通過控制占空比實現交流電壓的產生。

◎?薄膜電容:?濾波作用，電流傳感器 ：檢測三相繞組電流大小。

2）控制驅動電路：電腦控制板，驅動IGBT

電機控制器的作用：將直流電轉換成交流電，接受各個信號，輸出相應的功率和轉矩。核心部件：電力電子開關，薄膜電容，電流傳感器，控制驅動電路將不同開關打開，形成方向不同的電流，產生交變電壓。因此我們可以將正弦交流電分割成矩形，矩形的面積進行一個等效轉換，轉成高度相同的電壓，x軸通過控制占空比實現長短控制，最終實現面積的等效轉換。這樣的化，可以把直流電通過控制器，控制IGBT橋臂一定頻率和順序開關閉合，產生三相交流電。

目前驅動電路，關鍵部件依賴進口：電容，IGBT/MOSFET開關管，DSP，電子芯片和集成電路，可自主生產但能力弱：專用電路，傳感器，接插件，可以自主生產：電源，二極管，電感，多層線路板，絕緣線，散熱器。

3）電機：將三相交流電轉換成機械?

圖5 典型電機的構成

◎?結構：前后端蓋，外殼，軸和軸承

◎?磁路：定子鐵芯，轉子鐵芯

◎?電路：定子繞組，轉子導體

4）傳動裝置

變速箱或者減速器，將電機輸出的轉矩轉速改造成整車所需要的轉速和轉矩。

驅動電機的類型

驅動電機分為以下四類，目前新能源電動汽車以交流感應電機和永磁同步電機最為普遍。所以我們重點關注交流感應電機和永磁同步電機的技術。

1）交流感應異步電機

交流感性異步電機工作原理，繞組會穿過定子槽，轉子：這是由高導磁薄鋼片堆疊而成，三相電會通過繞組，根據法拉第電磁感應定律，會產生一個旋轉的磁場，這個磁場是導致轉子轉動的原因。定子的三個線圈相隔120度間隔連接，載流導線在其周圍產生磁場，當三相電源應用到這種特殊布置時，在特定時刻，隨著交流電的變化磁場會有不同方向的變化，產生一個旋轉均勻強度的磁場，磁場旋轉速度稱為同步速度，假設在里面放一個閉合導體，根據法拉第定律，因為磁場是變化的，回路中會感性到電動勢，電動勢會在回路中產生電流，這種情況就像位于磁場中的載流回路一樣，在環上產生電磁力，環江開始旋轉。采用類似鼠籠的東西，三相交流電通過定子會產生旋轉磁場，電流會在被端環短路的鼠籠條中感應出來，因此轉子開始旋轉，這就是為什么電機被稱為感應電機的原因。借助電磁感應而不是直接接在轉子上感應電，絕緣鐵芯薄片填充在轉子內部，這樣小尺寸的鐵確保渦流損耗最小，

2）交流同步電機

同步電機區別于異步電機，是他的轉子不同。轉子上安裝永磁體，安裝方式分為表貼式和嵌入式，轉子是由硅鋼片而成，永磁體嵌入。定子也是通入相位120差的交流電，控制正弦波交流電大小和相位，讓定子產生的磁場和轉子產生的磁場是相反的，并且磁場是旋轉的，這樣通過磁鐵異性相吸，帶著轉子進行旋轉。周而復始的循環，通過定轉子相吸產生。

總結：電動車用電機驅動目前基本上形成主流，但并不單一而是呈多樣化趨勢。各電機驅動系統綜合指標各有側重。各系統在現有的電動車驅動中都有應用。以異步電機和永磁同步電機居多，同時也有嘗試開關磁阻電機。值得指出的是電機驅動集電力電子技術、微電子技術、數字技術、自控技術以及材料科學等多門學科于一體體現多學科的綜合應用發展前景十分廣闊，在電動車電機中是強有力的競爭者。各種電機要想在未來的電動車中占有一席之地除了要對電機結構進行優化外，還需要控制系統智能化和數字化方面不斷的探索。

編輯：黃飛

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