新能源汽车驱动电机的维护与保养

驱动电机是新能源汽车的三大核心部件之一，相比传统工业电机，新能源汽车驱动电机有更高的技术要求。和普通电机一样，新能源驱动电机主要由定子、转子、机械结构三大部分组成。由于安装空间狭小、工作环境恶劣，并且振动大、冲击大、腐蚀严重、高温高湿等特殊原因，新能源驱动电机需要具有高密度、体积小、高功率、高扭矩、可靠性、耐久性和成本低等特点。（图3-1）

图3-1　新能源驱动电机

新能源汽车经常采用的驱动电机主要包括直流电动机、交流异步电动机、永磁电动机和开关磁阻电动机这几种。

高压电器系统综述

早期应用于电动汽车的是直流电动机，随着电子技术、自动控制技术等的大力发展，后面三种电动机目前应用得更加广泛一些。日本乘用车采用的多为PM（内置式）电机，在美国的话，异步电机则比较主流。

驱动电机相当于传统车的发动机，将能源转化为驱动力，但考虑到车辆使用时候的速度、续航、耐久等需求，至少要满足这样几种基本要求：

（1）宽调速范围：要求驱动电机在低速时能输出大扭矩，以满足起步时需求；高速巡航时则需要具有恒定功率输出特性，以满足线性加速；

（2）高密度轻量化：以满足安装空间和整车布置、重量的限制；

（3）高效率：节能省电以保证更大的续航里程，毕竟不可能无限堆积电池；

（4）能量回收：可以在车辆减速时将制动的部分动能回收，从而增加续航里程。不过目前各品牌在这方面做得并不好；

（5）高可靠性与安全性：其机械强度、抗震性、冷却技术、电器系统和控制系统都必须能满足车辆安全性的标准和规定；

（6）成本能够持续降低；

驱动电机是按照驾驶员的意图将动力电池的高压直流转变成驱动电机的高压三相交流电，从而使驱动电机产生旋转力矩，并通过传统装置将驱动电机的旋转运动传递给车轮，实现车辆的行驶。（图3-2）

图3-2　驱动电机的分类

表3-1　驱动电机的性能对比

1．异步电动机（感应电动机）

图3-3新能源异步电动机

（1）异步电动机介绍。

异步电动机又称“感应电动机”，即转子置于旋转磁场中，在旋转磁场的作用下，获得一个转动力矩，因而转子转动。转子是可转动的导体，通常呈鼠笼状。定子是电动机中不转动的部分，主要任务是产生一个旋转磁场。旋转磁场并不是用机械方法来实现，而是以交流电通于数对电磁铁中，使其磁极性质循环改变，故相当于一个旋转的磁场。这种电动机并不像直流电动机有电刷或集电环，依据所用交流电的种类有单相电动机和三相电动机。

（2）异步电动机的特点。

异步电动机有下面的优点：结构紧凑、坚固耐用；运行可靠、维护方便；价格低廉，体积小、质量轻；环境适应性好；转矩脉动低，噪声低。交流异步电动机成本低而且可靠性高，逆变器即便损坏而产生短路时也不会产生反电动势，所以不会出现急刹车的可能性。因此，广泛应用于大型高速的电动汽车中。三相笼型异步电动机的功率容量覆盖面很广，从零点几瓦到几千瓦。它可以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，并且能够实现再生制动。与同样功率的直流电动机相比较，效率较高，重量约要轻一半。同时，它有下面的缺点：功率因数低，运行时必须从电网吸收无功电流来建立磁场；控制复杂，易受电机参数及负载变化的影响；转子不易散热；调速性能差，调速范围窄。优势分析：新能源汽车专用的电动机，通过从电池中获取有限的能量产生动作，所以要求其在各种环境下的效率都要很好。因而，在性能上要求比一般工业用的电动机更加严格。电动汽车专用的电机需要满足几个特性：由高速化而生的小型轻量化（坚固性）、高效性（一次充电后的续驶里程长）、低速大转矩情况下的大范围内的恒定输出特性、寿命长以及高可靠性、低噪声性和成本低廉。但是现实中全部满足以上几个特性的电机还未被开发出来。目前更适用于新能源汽车的电机是交流异步电机和PM电动机。

（3）异步电动机的控制系统。

由于交流三相感应电机不能直接使用直流电，因此需要逆变装置进行转换控制。新能源汽车减速或制动时，电机处在发电制动状态，给蓄电池充电，实现机械能转换为电能。在新能源汽车上，由功率半导体器件构成的PWM功率逆变器把蓄电池电源提供的直流电变换为频率和幅值都可以调节的交流电。三相异步电动机逆变器的控制方法主要有V/f恒定控制法、转差率控制法、矢量控制法和直接转矩控制法（DTC）。20世纪90年代以前主要使用前两种控制方式，但是因转速控制范围小，转矩特性不理想，而对于需频繁起动、加减速的电动车并不适合。现在，后两种控制方式目前处于主流的地位。

（4）异步电动机的应用现状。

在美国，异步电动机应用得较多，这也被认为是和路况有关。在美国，高速公路已经具有一定的规模，除了大城市外，汽车一般以一定的高速持续行驶，所以，能够实现高速运转而且在高速时有较高效率的异步电动机得到广泛应用。在我国，随着高速公路规模的发展，交流异步电动机在新能源汽车上的应用也会越来越重要。

2．永磁无刷电动机

随着近些年来电力电子技术、微电子技术、微型计算机技术、稀土永磁材料、传感器技术与电机控制理论的快速发展，使得交流驱动技术逐渐成熟。相比于现有串励或者并励有刷直流电机驱动系统，永磁无刷电机拥有功率密度大、体积小、效率高、结构简单牢固、易于维护等优点，且采用永磁无刷电机作为驱动元件的电动汽车驱动系统运行和维护成本较低；采用全数字化和模块化结构设计，使得驱动器接口灵活，控制能力更强，操作更加舒适；应用能量回馈制动技术，可以减少刹车片的磨损，同时又增加汽车续驶里程。因此，基于电动汽车市场发展需要和技术现状，设计开发可靠、低成本、性能优良的全数字化电动汽车永磁无刷电机驱动系统，对于电动汽车产业的发展有着重要的现实意义。

图3-4　永磁同步电机

（1）永磁同步电动机简介。

在电机内建立进行机电能量转换所必需的气隙磁场有两种方法。一种是在电机绕组内通电流产生磁场，这种方法既需要有专门的绕组和相应的装置，又需要不断供给能量以维持电流流动，如普通的直流电机和同步电机。另一种是由永磁体来产生磁场，这种方法既可简化电机结构，又可节约能量。由永磁体产生磁场的电机就是永磁电机。它利用永磁体建立励磁磁场的同步电动机，其定子产生旋转磁场，转子用永磁材料制成。同步发电机为了实现能量的转换，需要有一个直流磁场，而产生这个磁场的直流电流，称为发电机的励磁电流。根据励磁电流的供给方式，凡是从其他电源获得励磁电流的发电机，称为他励发电机，从发电机本身获得励磁电源的，则称为自励发电机。

（2）永磁同步电动机的特点。

永磁同步电动机有以下优点：功率因数大，效率高，功率密度大；结构简单、便于维护，使用寿命较长、可靠性高；调速性能好，精度高；具有良好的瞬时特性，转动惯量低，响应速度快；频率高，输出转矩大，极限转速和制动性能优于其他类型的电机；采用电子功率器件作为换向装置，驱动灵活，可控性强；形状和尺寸灵活多样，便于进行外形设计；采用稀土永磁材料后电机的体积小、质量轻。但是永磁同步电动机也有以下缺点：电机造价较高；在恒功率模式下，操纵较为复杂，控制系统成本较高；弱磁能力差，调速范围有限；功率范围较小，受磁材料工艺的影响和限制，最大功率仅为几十千瓦；低速时额定电流较大，损耗大，效率较低；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。永磁材料磁场不可变，要想增大电机的功率，其体积会很大；抗腐蚀性差；不易装配。

（3）永磁电机作为驱动电机的优越性。

①转矩、功率密度大、起动力矩大。永磁电机气隙磁密度可大大提高，电机指标可实现最佳设计，使得电机体积缩小、重量减轻，同容量的稀土永磁电机体积、重量、所用材料可以减轻30%左右。永磁驱动电机起动转矩大，在汽车启动时能提供有效的启动转矩，满足汽车的运行需求。②力能指标好。Y系列电机在60%的负荷下工作时，效率下降15%，功率因数下降30%，力能指标下降40%。而永磁电机的效率和功率因数下降甚微，当电机只有20%负荷时，其力能指标仍为满负荷的80%以上。同时永磁无刷同步电机的恒转矩区比较长，一直延伸到电机最高转速的50%左右，这对提高汽车的低速动力性能有很大帮助。③高效节能。在转子上嵌入稀土永磁材料后，在正常工作时转子与定子磁场同步运行，转子绕组无感生电流，不存在转子电阻和磁滞损耗，提高了电机效率。永磁电机不但可减小电阻损耗，还能有效地提高功率因数。如在25%－120%额定负载范围内永磁同步电机均可保持较高的效率和功率因素。④结构简单、可靠性高。用永磁材料励磁，可将原励磁电机中励磁线圈由一块或多块永磁体替代，零部件大量减少，在结构上大大简化，改善了电机的工艺性，而且电机运行的机械可靠性大为增强，寿命增加。转子绕组中不存在电阻损耗，定子绕组中几乎不存在无功电流，电机升温低，这样也可以使整车冷却系统的负荷降低，进一步提高整车运行的效率。

（4）永磁同步电机的控制系统。

永磁电机的控制技术与感应电机类似，控制策略主要集中在提高低速转矩特性和高速恒功率特性。目前，永磁同步电机低速时常采用矢量控制，包括气隙磁场定向、转子磁链定向、定子磁链定向等；而在高速运行时，永磁同步电机通常采用弱磁控制。

（5）永磁电机应用现状。

稀土永磁电机的设计理论、计算方法、检测技术和制造工艺正不断地完善和发展，永磁材料的性能和可靠性正不断地提高。电力电子技术、大规模集成电路和计算机技术的快速发展也对永磁驱动电机的发展起到了积极的促进作用。随着未来混合动力汽车和纯电动汽车的快速发展，永磁驱动电机将迎来一个更为快速发展的时期，其发展趋势也将呈现以下特点：高功率密度、高转矩密度、高可控性、高效率、高性能、高价格比等，以满足混合动力汽车和纯电动汽车的实际需求。

3．开关磁阻电动机

（1）开关磁阻电动机简介。

开关磁阻电动机（Switched Reluctance Drive：SRD）是继变频调速系统、无刷直流电动机调速系统之后发展起来的最新一代无级调速系统，是集现代微电子技术、数字技术、电力电子技术、红外光电技术及现代电磁理论、设计和制作技术为一体的光、机、电一体化高新技术。它具有调速系统兼具直流、交流两类调速系统的优点。开关磁阻电机覆盖功率范围10W～5MW的各种高低速驱动调速系统，因而存在许多潜在的领域，在各种需要调速和高效率的场合均能得到广泛使用（电动车驱动、通用工业、家用电器、纺织机械、电力传动系统等各个领域）。开关磁阻电动机工作原理：开关磁阻电动机的运行遵循“磁阻最小原理”——磁通总要沿磁阻最小的路径闭合，而具有一定形状的铁芯在移动到最小磁阻位置时，必使自己的主轴线与磁场的轴线重合。

（2）开关磁阻电机特点。

它的结构比其他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15000r/min。效率可达85%～93%，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，易于实现各种特殊要求的转矩、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。开关磁阻电机还具有在较宽转速和转矩范围内高效运行、控制灵活、可四象运行、响应速度快、成本较低等优点。工艺性好，适用于高速，环境适应性强；电机转矩的方向与绕组电流的方向无关；适用于频繁启停以及正反向转换运行；启动电流小，转矩大；可控参数多，调速性能好；具有较强的再生制动能力；定子和转子的材料均采用硅钢片，易于获取和回收利用。但开关磁阻电机有转矩波动大、需要位置检测器、系统非线性特性，磁场为跳跃性旋转，控制系统复杂；对直流电源会产生很大的脉冲电流等缺点。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。（图3-5）

图3-5　开关磁阻电动机

（3）开关磁阻电动机的控制系统。

开关磁阻电动机驱动系统的核心是开关磁阻电动机（SRM），它涉及电动机、电力电子、微机、控制、光电转换和角度测量等多学科知识，结构比较复杂，控制系统要求也比较独特，感应电动机和永磁同步电动机的控制方法通常难以满足系统的控制要求。目前电动汽车应用较少。它的主要研究方向是模型研究。由于开关磁阻电机具有明显的非线性特性，系统难以建模，一般的线性控制方式不适用于开关磁阻电机系统。目前主要利用模糊逻辑控制、神经网络控制等。它的控制系统包括功率变换器、控制器和位置传感器及速度检测器等部分。

①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。

②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在不同条件下的运行。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。(www.xing528.com)

③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。

4．直流电动机

直流电机可分为永磁式直流电机和绕组励磁式电机两种。一般小功率采用前者，大功率采用后者，下面主要讨论后者。

（1）直流电动机简介。

直流电动机是将直流电能转化成机械能（直流电动机）或将机械能转化为直流电能（直流发电机）的旋转电机。直流电机的结构应由定子和转子两大部分组成。直流电机运行时静止不动的部分称为定子，定子的主要作用是产生磁场，由机座、主磁极、换向极、端盖、轴承和电刷装置等组成。运行时转动的部分称为转子，其主要作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量转换的枢纽，所以通常又称为电枢，由转轴、电枢铁芯、电枢绕组、换向器和风扇等组成。有刷直流电动机被广泛用于要求转速可调、调速性能好，以及频繁启动、制动和反转的场合。

（2）直流电动机的特点。

直流电动机有下面的优点：结构简单；具有优良的电磁转矩控制特性，可实现基速以下恒转矩、基速以上恒功率，可满足汽车对动力源低速高转矩、高速低转矩的要求；可频繁快速启动、制动和反转；调速平滑、无级、精确、方便，范围广；抗过载能力强，能够承受频繁的冲击负载；控制方法简单，只需要用电压控制，不需要检测磁极位置。但是它也有下面缺点：设有电刷和换向器，高速和大负荷运行时换向器表面易产生电火花，同时换向器维护困难，很难向大容量、高速度发展。此外，电火花会产生电磁干扰；不宜在多尘、潮湿、易燃易爆的环境中使用；价格高、体积和质量大。其中电火花产生的电磁干扰，对高度电子化的电动汽车来说将是致命的。随着电子力子技术和控制理论的发展，相对于其他驱动系统而言，直流电机在电动汽车中的应用已处于劣势，目前已逐渐被淘汰。

（3）直流电机的控制系统。

直流电机控制系统主要由斩波器和中央控制器构成，根据直流电机输出转矩的需要，通过斩波器来控制电机的输入电压、电流，来控制和驱动直流电机的运行。

图3-6　各类驱动电机基本性能比较

各种电机在我国发展现状：

（1）我国已建立了具有自主知识产权异步电机驱动系统的开发平台，形成了小批量生产的开发、制造、试验及服务体系；产品性能基本满足整车需求，大功率异步电机系统已广泛应用于各类电动客车；通过示范运行和小规模市场化应用，产品可靠性得到了初步验证。

（2）开关磁阻电机驱动系统已形成优化设计和自主研发能力，通过合理设计电机结构、改进控制技术，产品性能基本满足整车需求；部分公司已具备年产2000套的生产能力，能满足小批量配套需求，目前部分产品已配套整车示范运行，效果良好。

（3）国内企业通过合理设计及改进控制技术，有效提高了无刷直流电机产品性能，基本满足电动汽车需求；已初步具有机电一体化设计能力。

纯电动汽车驱动电机与控制系统认知

（4）永磁同步电机驱动系统已形成了一定的研发和生产能力，开发了不同系列产品，可应用于各类电动汽车；产品部分技术指标接近国际先进水平，但总体水平与国外仍有一定差距；基本具备永磁同步电机集成化设计能力；多数公司仍处于小规模试制生产，少数公司已投资建立车用驱动电机系统专用生产线。

（5）永磁电机的主要材料有钕铁硼磁钢、硅钢等。部分公司掌握了电机转子磁体先装配后充磁的整体充磁技术。国内研制的钕铁硼永磁体最高工作温度可280℃，但技术水平仍与德国和日本有较大差距。硅钢是制造电机铁芯的重要磁性材料，其成本占电机本体的20%左右，其厚度对铁耗有较大影响，日本已生产出0.27mm硅钢片用于车用电机，我国仅开发出0.35mm硅钢片。

电动汽车的驱动电机替代了传统汽车上的发动机和发电机。内燃机通常是把化学能转化为机械能驱动车辆行驶，而驱动电机将电能转化为机械能驱动车辆行驶。发电机通过将机械能转化为电能并储存在蓄电池上。驱动电机通过制动能量回收功能将车辆机械能转化为电能储存在动力电池上。（图3-7、图3-8）

图3-7　驱动电机的作用

图3-8　特斯拉驱动电机

电能以U、V、W三相电的形式输入电机，电机转速的快慢，主要取决于输入定子的励磁电流的交变频率，调速范围宽，可以在0～18000转之间变化，且运行稳定。（图3-9）

图3-9　特斯拉驱动电机

电动机的输出特性与发动机相比，具备先天的优越性。内燃机转速与转矩的关系是自然形成的，转矩先跟随转速一起增加，到达两者最高点以后，转速的增加则会带来转矩的降低；而电机则不同，通过扭矩输出控制，基本可以实现低转速大转矩，高转速范围内恒转矩运行，这样的特性，与车辆行驶过程中的实际需求恰好吻合。（图3-10）

新能源汽车电机调试

图3-10　发动机和电机性能比较

宝马i8前置电动机用作驱动前轮，该电机能够输出峰值马力131匹、峰值扭矩250N·m。配合后轮驱动，宝马i8四驱模式能够输出总峰值马力362匹以及总峰值扭矩570N·m。经过实测，宝马i8百公里加速时间仅4.5秒，最高时速可达250公里/小时。一次性充满电纯电动模式下续航里程为37公里。（图3-11）

图3-11　宝马i8插电混合系统

作为一台插电式混合动力车型，宝马i8可以在纯电与混合动力两种驱动方式之间自由切换，纯电动模式下车辆完全由前轴的电机带动，而在混合动力下，车辆则会根据不同的驾驶模式调节电动机与发动机的工作。（图3-12）

图3-12　宝马i8永磁同步电机

宝马i8布置在发动机旁边的后置电动机不直接参与车轮驱动，主要用作给电池充电，在车辆减速或制动时能够回收制动能量。当三缸涡轮增压发动机出现涡轮迟滞的时候，后置的电动机也能够消除该现象，使得汽车起步或者低速行驶的时候更加顺畅。

Model S标配全轮驱动双电机，P100D Model S更有高性能后置电机，与高效率的前置电机联动，实现超跑级别的加速表现，仅需2.7秒，即可从静止加速至100公里/小时。（图3-13、图3-14、图3-15）

图3-13　Model S

图3-14　Model S驱动电机测试

特斯拉汽车电机调试

图3-15　Model S驱动电机结构

丰田普锐斯THS II采用了升压技术，从而将电池组从273V减小到201V，降低了成本。通过升压技术，电池母线电压从201V升压至500V，用来驱动双电机。保证了电机输出性能不变。（图3-16、图3-17、图3-18）

图3-16　丰田THS系统连接图

图3-17　普锐斯电驱系统剖面

图3-18　普锐斯电驱系统剖面