1. 動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)基礎(chǔ)

01驅(qū)動(dòng)電機(jī)分類(lèi)

電機(jī)是實(shí)現(xiàn)電能與機(jī)械能相互轉(zhuǎn)換的裝置，分為電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)。電動(dòng)機(jī)是將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，發(fā)電機(jī)是將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。電機(jī)按電流性質(zhì)又可分為直流電機(jī)和交流電機(jī)兩大類(lèi)：直流電機(jī)是指通入定子繞組中的電流是直流電；交流電機(jī)是指通入定子繞組中的電流是交流電。電機(jī)的分類(lèi)如下圖所示。

永磁同步交流電機(jī)具有功率密度高、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性好、轉(zhuǎn)速范圍大、控制簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，在新能源汽車(chē)中被廣泛使用。目前北汽、吉利、榮威、江淮、長(zhǎng)安、寶馬、大眾等品牌新能源車(chē)型普遍采用永磁同步交流電機(jī)。

02驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)特點(diǎn)

純電動(dòng)汽車(chē)按照驅(qū)動(dòng)電機(jī)的安裝位置可分為車(chē)輪電機(jī)驅(qū)動(dòng)和中央傳動(dòng)系電機(jī)驅(qū)動(dòng)兩種形式。車(chē)輪電機(jī)驅(qū)動(dòng)包括輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)和輪邊電機(jī)驅(qū)動(dòng)，有前橋驅(qū)動(dòng)、后橋驅(qū)動(dòng)和四輪驅(qū)動(dòng)三種形式，如下圖所示。車(chē)輪電機(jī)驅(qū)動(dòng)能進(jìn)一步減少驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的部件，但由于輪轂電機(jī)和輪邊電機(jī)的控制協(xié)調(diào)難度大，成本較高，在現(xiàn)代電動(dòng)汽車(chē)中基本不再采用，未來(lái)可能成為發(fā)展趨勢(shì)。

中央傳動(dòng)系電機(jī)驅(qū)動(dòng)與傳統(tǒng)汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)布置形式相同。在純電動(dòng)汽車(chē)中，只需配備減速器。四輪驅(qū)動(dòng)汽車(chē)則只需配備一根前橋驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)軸，或者使用第二臺(tái)電機(jī)。中央傳動(dòng)系電機(jī)驅(qū)動(dòng)如下圖所示。

2. 驅(qū)動(dòng)電機(jī)基本原理

01

永磁同步驅(qū)動(dòng)電機(jī)

永磁同步驅(qū)動(dòng)電機(jī)主要由定子、轉(zhuǎn)子及機(jī)體三部分構(gòu)成，如下圖所示。定子繞組一般制成多相（三、四、五相不等），通常為三相繞組。三相繞組沿定子鐵芯對(duì)稱(chēng)分布，在空間互差120°電角度，通入三相交流電時(shí)，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。

轉(zhuǎn)子采用永磁體，采用永磁體簡(jiǎn)化了電機(jī)的結(jié)構(gòu)，提高了可靠性，又沒(méi)有轉(zhuǎn)子銅耗，提高了電機(jī)的效率。按永磁體在轉(zhuǎn)子上位置的不同，永磁同步驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁極結(jié)構(gòu)主要分為兩種：表面式和內(nèi)置式。永磁同步驅(qū)動(dòng)電機(jī)具有體積小和重量輕等優(yōu)勢(shì)，故得到廣泛應(yīng)用，目前國(guó)內(nèi)外大多數(shù)純電動(dòng)汽車(chē)、混合動(dòng)力汽車(chē)（包含插電式混合動(dòng)力汽車(chē)）以及燃料電池汽車(chē)均采用永磁同步驅(qū)動(dòng)電機(jī)。永磁同步驅(qū)動(dòng)電機(jī)具有高功率密度、高效率、易散熱、高可靠性和較好的動(dòng)態(tài)性能等優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)前電動(dòng)車(chē)輛用驅(qū)動(dòng)電機(jī)的熱點(diǎn)。永磁同步驅(qū)動(dòng)電機(jī)分為交流永磁同步電機(jī)、直流無(wú)刷永磁電機(jī)、新型永磁電機(jī)三大類(lèi)，目前在電動(dòng)汽車(chē)中主要采用的是交流永磁同步電機(jī)。典型的驅(qū)動(dòng)電機(jī)結(jié)構(gòu)如下圖所示。該電機(jī)為永磁同步電機(jī)，具有效率高、體積小、重量輕及可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。永磁同步電機(jī)是電驅(qū)系統(tǒng)的重要執(zhí)行機(jī)構(gòu)，是電能與機(jī)械能轉(zhuǎn)化的部件，依靠?jī)?nèi)置傳感器來(lái)提供電機(jī)的工作信息，并將這些信息發(fā)送給電機(jī)控制器。

電機(jī)具有電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)的雙重功能。電動(dòng)機(jī)工作原理是電機(jī)控制器分別控制U相、V相和W相繞組，或者相鄰繞組的通電、斷電，在相應(yīng)的繞組或相鄰的繞組中產(chǎn)生磁場(chǎng)，永磁轉(zhuǎn)子在磁場(chǎng)的作用下同步旋轉(zhuǎn)，如下圖所示。

車(chē)輛減速時(shí)，永磁同步驅(qū)動(dòng)電機(jī)起到發(fā)電機(jī)的作用。交流發(fā)電機(jī)的工作原理是車(chē)輛減速時(shí)，驅(qū)動(dòng)輪通過(guò)傳動(dòng)裝置反拖永磁同步驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的永久轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)，分別切割U、V、W三相定子繞組，產(chǎn)生三相交流電，如下圖所示。

02交流異步驅(qū)動(dòng)電機(jī)

交流異步電機(jī)（交流感應(yīng)電機(jī)）的種類(lèi)很多，但各類(lèi)三相異步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)是相同的，它們都由定子和轉(zhuǎn)子這兩大基本部分組成。在定子和轉(zhuǎn)子之間具有一定的氣隙。此外，還有端蓋、軸承、接線(xiàn)盒、吊環(huán)等附件。
交流異步驅(qū)動(dòng)電機(jī)如下圖所示。

隨著微電子技術(shù)、電力電子技術(shù)和自動(dòng)化控制技術(shù)的快速發(fā)展，電動(dòng)汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用交流感應(yīng)電機(jī)的情況日益增多。國(guó)外對(duì)交流異步鑄銅轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機(jī)作為牽引驅(qū)動(dòng)電機(jī)使用非常重視，它與直流電機(jī)相比，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固、體積小、質(zhì)量輕、成本低、效率高且價(jià)格低廉等優(yōu)勢(shì)。電機(jī)的定子輸入頻率可在較大范圍內(nèi)變化，調(diào)速范圍寬，是電動(dòng)汽車(chē)用驅(qū)動(dòng)電機(jī)較理想的選擇，尤其是對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)功率需求較大的電動(dòng)客車(chē)。但交流感應(yīng)電機(jī)在低速運(yùn)行時(shí)，也存在效率低、發(fā)熱嚴(yán)重、控制系統(tǒng)復(fù)雜等有待解決的技術(shù)問(wèn)題。交流感應(yīng)電機(jī)有籠型轉(zhuǎn)子式和繞線(xiàn)轉(zhuǎn)子式兩種。繞線(xiàn)轉(zhuǎn)子式交流感應(yīng)電機(jī)可通過(guò)改變外電路參數(shù)來(lái)改善其運(yùn)行性能，但成本高、需要維護(hù)、耐久性能不足，因而沒(méi)有籠型轉(zhuǎn)子式交流感應(yīng)電機(jī)應(yīng)用那么廣泛。特別是在純電動(dòng)汽車(chē)和混合動(dòng)力汽車(chē)上，籠型轉(zhuǎn)子式交流感應(yīng)電機(jī)得到了廣泛應(yīng)用。電動(dòng)汽車(chē)使用的交流感應(yīng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定電壓一般為380V，其功率電動(dòng)乘用車(chē)為20～80kW，電動(dòng)商用車(chē)為100～150kW。電動(dòng)汽車(chē)采用交流感應(yīng)電機(jī)時(shí)，應(yīng)合理選定電機(jī)的容量，盡可能地避免出現(xiàn)“大馬拉小車(chē)”的現(xiàn)象。根據(jù)有關(guān)動(dòng)力性能參數(shù)正確地予以選擇，以盡量縮短電機(jī)空載運(yùn)行時(shí)間。目前國(guó)內(nèi)外高性能電動(dòng)汽車(chē)交流感應(yīng)電機(jī)控制，主要有矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制兩種控制方法。矢量控制方法已比較成熟，應(yīng)用普遍，直接轉(zhuǎn)矩控制方法有待于進(jìn)一步完善。特斯拉ModelS的雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中后橋驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用交流異步驅(qū)動(dòng)電機(jī)。北汽EC180、幻速206EV物流車(chē)等也采用了交流異步驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

3. 驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制系統(tǒng)

01基本功能

電機(jī)控制器控制著動(dòng)力電池到驅(qū)動(dòng)電機(jī)之間的能量傳遞，采用CAN通信控制，同時(shí)采集電機(jī)位置信號(hào)和三相電流檢測(cè)信號(hào)，精確地控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行。純電動(dòng)汽車(chē)電機(jī)控制器內(nèi)部包含DC/AC逆變器、DC/DC直流轉(zhuǎn)換器（下圖），部分車(chē)型電機(jī)控制器還將車(chē)載充電器、高壓配電裝置、PTC加熱器控制器等集成在一起。其主要功能包括車(chē)輛怠速控制、車(chē)輛前進(jìn)控制（電機(jī)正轉(zhuǎn)）、車(chē)輛后退控制（電機(jī)反轉(zhuǎn)）、DC/AC控制等。

電機(jī)控制器是動(dòng)力電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制中心，又稱(chēng)智能功率模塊，由外界控制信號(hào)接口電路、電機(jī)控制電路和驅(qū)動(dòng)電路組成，包括DSP電機(jī)控制板、IGBT驅(qū)動(dòng)電路板、IGBT（IPM）模塊、控制電源、散熱系統(tǒng)等，一般安裝在前機(jī)艙電機(jī)的上方。IGBT是電動(dòng)汽車(chē)中的核心器件之一，是動(dòng)力系統(tǒng)的重要組成部分。IGBT主要應(yīng)用于以下兩個(gè)子系統(tǒng)：電機(jī)控制系統(tǒng)，大功率直流/交流（DC/AC）逆變后驅(qū)動(dòng)汽車(chē)電機(jī)；車(chē)載空調(diào)控制系統(tǒng)，小功率直流/交流（DC/AC）逆變，使用電流較小的IGBT元件。02控制技術(shù)

（1）變流技術(shù)

電機(jī)控制器實(shí)際是電力電子變流器技術(shù)的應(yīng)用，是電能的變換與控制技術(shù)。當(dāng)純電動(dòng)汽車(chē)或混合動(dòng)力汽車(chē)處于再生制動(dòng)工況時(shí)將交流電變換為直流電為動(dòng)力電池充電，稱(chēng)為整流技術(shù)；將動(dòng)力電池的高壓電轉(zhuǎn)換成低壓電（12V），為低壓電路系統(tǒng)提供工作電源和為輔助電池充電；一種直流電，變換為另一種直流電，稱(chēng)為直流斬波或者直流/直流變換；車(chē)輛正常行駛時(shí)動(dòng)力電池高壓直流電轉(zhuǎn)換成可供驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作的高壓交流電，即直流電變換為交流電，稱(chēng)為逆變；將一種交流電變換為另一種交流電，稱(chēng)為交/交變流技術(shù)。用于新能源汽車(chē)中的動(dòng)力電力電子裝置主要由大功率DC/AC逆變器構(gòu)成，在燃料電池汽車(chē)中通常還有大功率DC/DC轉(zhuǎn)換器，在深度混合動(dòng)力轎車(chē)中也常常采用大功率雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器，此外在各種電動(dòng)汽車(chē)中還有小功率的DC/DC轉(zhuǎn)換器，用于進(jìn)行低壓蓄電池的充電，或者采用中小功率AC/DC對(duì)動(dòng)力高壓蓄電池進(jìn)行充電，AC/AC交/交變流技術(shù)在電動(dòng)汽車(chē)應(yīng)用領(lǐng)域中相對(duì)較少采用。（2）逆變技術(shù)
將直流電轉(zhuǎn)換為交流電，向驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供工作電源，逆變電路輸出的頻率和電壓的大小，取決于負(fù)載的實(shí)際需要，可以是定壓定頻的負(fù)載，也可以是調(diào)壓調(diào)頻的負(fù)載。（3）再生制動(dòng)技術(shù)電動(dòng)汽車(chē)在滑行或下坡時(shí)，利用汽車(chē)的慣性力，來(lái)帶動(dòng)電機(jī)從驅(qū)動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換為電機(jī)制動(dòng)狀態(tài)或轉(zhuǎn)換為發(fā)電狀態(tài)，將汽車(chē)滑行或下坡時(shí)的動(dòng)能或者位能，在轉(zhuǎn)換為電能的同時(shí)對(duì)汽車(chē)起電制動(dòng)作用（相當(dāng)于發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)），這其中有一部分能量是可以回收的。這是發(fā)動(dòng)機(jī)汽車(chē)所不能實(shí)現(xiàn)的。電動(dòng)汽車(chē)的重要節(jié)能措施之一即為能量的可回收。圖4-3-2所示為電動(dòng)汽車(chē)的再生制動(dòng)發(fā)電系統(tǒng)的組成。電動(dòng)汽車(chē)安裝此能量回收系統(tǒng)，能夠有效發(fā)揮電動(dòng)汽車(chē)的特點(diǎn)，回收車(chē)輪制動(dòng)、下坡滑行、高速運(yùn)行及減速運(yùn)行等狀態(tài)下的部分能量，將其轉(zhuǎn)化為電能并給蓄電池充電，充分地使用能源，從而提高電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)駛里程。

（4）DC/DC技術(shù)

在常規(guī)車(chē)輛中，交流發(fā)電機(jī)（使用發(fā)動(dòng)機(jī)電源）用于為12V蓄電池充電并為電氣設(shè)備供電，然而在純電動(dòng)汽車(chē)中沒(méi)有發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)，因此需要DC/DC轉(zhuǎn)換器降低動(dòng)力電池電壓并為12V供電系統(tǒng)供電。