新能源汽车电机性能分析

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摘要驱动电机系统是电动汽车的核心技术之一。本文定性分析了电动汽车中几种常见的驱动系统，比较了它们的性能，并指出了各自的优缺点。

关键词电动汽车、驱动电机、性能比较

由于人类与环境的共存以及全经济的可持续发展，人们希望减少排放并找到资源节约型的交通方式，而电动汽车的使用无疑是一个有前途的解决方案。

现代电动汽车是融合了电力、电子、机械控制、材料科学、化学技术等多种尖端技术的综合产品。整体运行性能、经济性等首先取决于电池系统和电机驱动控制系统。

典型的电动汽车驱动系统由逆变器通过电池供电，并且通常具有变速箱来驱动整个车辆。该控制系统有传感器，控制器现在是数字的，电机没有太大变化。与工业应用相比，汽车应用是不同的概念。工业应用空间不受，仍然可以使用标准封装模型，但汽车应用空间有限，每个系统都是针对特定模型（尤其是混合动力汽车）定制的。从可靠性来说，工业应用是非常可靠的，但由于用途不同，工业应用在各方面的水平仍然不如汽车应用。在工业应用中，保证应用效率的可靠性至关重要，但在汽车应用中，电机应用系统的可靠性关系到乘客的安全，因此可靠性要求非常高。冷却方式工业用为风冷，汽车用为水冷。在控制性能方面，工业应用主要采用变频调速控制，导致动态性能较差，但汽车应用则需要精确的扭矩控制和良好的动态性能。

当前汽车电驱动系统的发展趋势主要包括永磁化、数字化、集成化。

永磁磁阻电机效率高、比功率大、功率因数高。数字化是电力驱动系统的核心。电机系统的集成有两种方式电机与发动机相结合，以及电机与变速箱相结合。电力电子集成也有趋势，目前驱动控制器产品的记录为172kW。关键是采用采用混合电力电子集成技术和新型薄膜电容器集成技术的高性能集成模块。

电动汽车的电机驱动系统一般由控制器、功率变换器、电动机和传感器四个主要部分组成。电力驱动系统是电动汽车和混合动力汽车的核心。电动机将电能转化为机械能以推动车辆，反之亦然，用于再生制动和为车载能量存储充电。目前电动汽车使用的电机一般有直流电机、感应电机、开关磁阻电机、永磁无刷电机等。

1、电动汽车电机的基本要求

与典型的工业应用不同，电动汽车的操作非常复杂。电动汽车中使用的电动机通常需要频繁启动和停止、高加减速率、爬坡时低速高扭矩、高速时低扭矩以及非常宽的工作速度范围。因此，对驱动系统的要求非常高，主要有以下特点

11电动汽车用电动机必须具有瞬时功率大、过载能力强、过载系数好、加速性能好、使用寿命长等特点。

12电动汽车用电动机必须具有较宽的调速范围，包括恒扭矩范围和恒功率范围。恒扭矩区域需要低速大扭矩，以满足起步和爬坡要求，而恒功率区域则需要小扭矩高速度，以满足汽车高速行驶的要求。平坦的道路。必需的。

13电动汽车所使用的电机必须能够在车辆减速时进行再生制动，并且能够回收能量并重新供给电池，从而使电动汽车能够获得传统汽车无法实现的最高能源利用率。内燃机汽车。一定有。

14电动汽车的电动机必须在整个行驶里程内具有高效率，以便延长单次充电的行驶里程。

此外，电动汽车的电机还必须具有良好的可靠性，即使在恶劣的环境下也能长时间运行，结构简单，适合批量生产，运行时噪音低，易于使用和维护，价格便宜等等。

2、电动汽车用电动机的类型及控制方法

21直流电机

有刷直流电机广泛应用于需要调速、调速性能良好以及需要频繁启动、制动和正反转的场合。其主要优点是控制简单、技术成熟、具有交流电机无法比拟的优良控制特性，已广泛应用于各种电力牵引应用系统中。早期发展的电动汽车主要采用直流电机，部分电动汽车至今仍采用直流电机进行驱动。但电刷和机械换向器的存在不仅了电机过载能力和转速的进一步提高，而且在长期运行过程中需要经常维护和更换电刷和换向器。此外，转子中存在损耗使得散热变得困难，了电机扭矩质量比的进一步提高。考虑到直流电机的上述缺点，新开发的电动汽车上基本不采用直流电机。

22AC三相感应电机

221交流三相异步电动机的基本性能

交流三相感应电动机是应用最广泛的电动机。定子和转子由硅钢板叠片而成，定子之间没有滑环、换向器或其他相互接触的零件。其结构简单，运行稳定，耐用性优良。交流感应电动机的输出范围很宽，转速可达12000~15000r/min。可采用风冷或液冷，冷却自由度高。对环境适应性好，可实现再生反馈制动。与同输出的直流电机相比，效率高，重量减轻一半左右，价格低，维护方便。

222交流感应电机控制系统

这是因为交流三相感应电机不能直接使用电池提供的直流电，并且交流三相感应电机具有非线性输出特性。因此，在使用交流三相感应电机的电动汽车中，需要将功率半导体器件应用到逆变器中，将直流电变换为频率和幅值可调的交流电，以实现对交流三相电机的控制。主要有两种v/f控制法和转差频率控制法。

采用矢量控制方法来控制交流三相异步电动机励磁绕组的交变频率和输入交流三相异步电动机的最终调节，并控制旋转磁通和转矩。交流三相感应电机的磁场实现了交流三相感应电机的变化，其转速和输出扭矩能够满足负载变化特性的要求，并达到最高的效率，因此采用交流三相感应电机在电动汽车上可以得到广泛的应用。

223交流三相感应电机的缺点

由于交流三相异步电动机耗电量大，且转子容易发热，因此在高速运行时必须保证交流三相异步电动机的冷却。否则会损坏电机。由于交流三相感应电机的功率因数较低，因此变频变压器装置的输入功率因数也较低，因此需要大容量的变频变压器装置。交流三相感应电机的控制系统成本远高于交流三相感应电机本身的控制系统成本，这增加了电动汽车的成本。此外，交流三相感应电机的速度控制较差。

23永磁无刷直流电机

231永磁无刷直流电机的基本性能

永磁无刷直流电机是高性能电机。最大的特点是具有直流电机的外特性，没有机械换向器和电刷组成的机械接触结构，因此机械摩擦损耗低，效率高。另外，它采用无励磁损耗的永磁转子，即加热的电枢绕组装配在外部定子上，以利于散热，因此永磁无刷直流电机无换向火花，无无线电干扰。寿命长、运行稳定。维护方便。此外，转速不受机械换向的，使用空气轴承或磁悬浮轴承可以达到每分钟数十万转。永磁无刷直流电机系统具有更高的能量密度和更高的效率，在电动汽车中具有很大的应用潜力。

232永磁无刷直流电机控制系统

典型的永磁无刷直流电机是准分离式矢量控制系统，永磁体只能产生固定幅值的磁场，因此永磁无刷直流电机系统非常适合在恒转矩区域运行。完整的电流滞环控制或电流反馈SPWM方法。为了进一步提高速度，永磁无刷直流电机还可以使用弱磁控制。弱磁控制的关键是改善相电流的相位角并提供直轴退磁电势以削弱定子绕组中的磁链。

233永磁无刷直流电机的缺点

永磁无刷直流电机受永磁材料技术的影响和，使得永磁无刷直流电机的功率范围较小，最大功率只有几十千瓦。当永磁材料受到振动、高温或过载电流时，磁导率会下降或退磁，从而降低永磁电机的性能，严重时会损坏电机，因此必须严格控制。确保使用过程中不超载。在恒功率模式下，永磁无刷直流电机运行复杂，需要复杂的控制系统，因此永磁无刷直流电机的驱动系统非常昂贵。

24开关磁阻电机

241开关磁阻电机的基本性能

开关磁阻电机是一种新型电机，该系统具有比其他电机结构简单、电机转子内没有滑环、绕组、永磁体等，仅在转子内等特点。定子采用简单的集总绕组，绕组端部短，无相间跳线，维护方便。因此具有良好的可靠性，转速可达15000r/min。效率可达85-93，高于交流感应电机。损耗主要发生在定子，电机易于冷却，转子元件为永磁体，因此调速范围宽，控制灵活。轻松实现各种特殊的扭矩速度特性要求并保持高标准。效率范围广。更适合电动汽车动力性能要求。

242开关磁阻电机控制系统

开关磁阻电机具有很高的非线性特性，因此驱动系统相对复杂。控制系统包括功率转换器、控制器和位置传感器。

电源转换器

开关磁阻电机的励磁绕组周期性地换向，无论流过正向还是反向电流，转矩方向都保持不变。每一步只需要一个小容量的功率开关管。电源变换电路比较简单，不需要。无误差，可靠性好，可轻松实现系统的软启动和四象限运行，并具有较强的再生制动功能。它比交流三相感应电机的逆变器控制系统便宜。

控制器

控制器由微处理器、数字逻辑电路等部件组成。微处理器根据驱动器输入的指令，对位置检测器和电流检测器同时反馈的电机转子位置进行分析处理，做出瞬时判决，并发出一系列执行指令来控制开关磁阻。电机适应电动汽车在各种工况下的运行。控制器的性能和调节灵活性取决于微处理器软件和硬件之间的性能关系。

c位置检测器

开关磁阻电机需要高精度的位置传感器为控制系统提供电机转子的位置、速度和电流的变化信号，并且需要高开关频率来降低开关磁阻电机的噪声。

第243章开关磁阻电机的缺点

开关磁阻电机的控制系统比其他电机更为复杂，位置检测器是开关磁阻电机的关键部件，其性能对开关磁阻电机的控制运行有着重大影响。开关磁阻电机具有双凸极结构，因此扭矩波动不可避免，而开关磁阻电机的主要缺点是噪声。但近年来的研究表明，采用合理的设计、制造和控制技术，可以很好地抑制开关磁阻电机的噪声。另外，由于开关磁阻电机的输出转矩较大，功率变换器的直流电流较大，因此必须在直流母线上安装较大的滤波电容。

3、电动汽车使用的各种驱动电机性能比较

电动汽车在各个历史时期都使用过多种电机，其中直流电机控制性能且成本低廉。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，交流电机、永磁元件有刷直流电机和开关磁阻电机正在表现出比直流电机更优异的性能，而在电动汽车中，这些电机正在逐渐被取代。直流电机。目前，交流电机、永磁电机、开关磁阻电机及其控制装置的价格仍然较高，但批量生产后，这些电机及其控制装置的价格将迅速下降，以满足要求。产生经济效益并降低电动汽车的价格。

常见的电动车电机有几种？当今电动自行车使用的电机有四种常见类型有刷齿轮轮毂电机、有刷无齿轮轮毂电机、无刷齿轮轮毂电机和无刷齿轮轮毂电机。

附加信息

1、电动汽车使用的驱动电机与传统工业电机不同。电动汽车驱动电机一般要求频繁启停、加减速、低速或升速时大扭矩、高速时低扭矩以及较宽的调速范围。

2.工业电机通常在其额定工作点进行优化。因此，电动汽车驱动电机具有独特性，应单独分类。

3、对于无刷电机，根据电机是否带有位置传感器，分为带位置传感器的无刷电机和不带位置传感器的无刷电机。对于没有位置传感器的无刷电机，必须先踩下车辆的踏板，电机达到一定的转速后，控制器才能识别无刷电机的相位，并为电机供电。

4、无位置传感器无刷电机在2000年以后生产的电动汽车上很少使用，因为它们无法实现零速启动。电动汽车行业使用的无刷电机通常使用配备位置传感器的无刷电机。当旋转180时，线圈不动，霍尔元件检测到S极的磁场，此时P1和R2截止，P2和R1连通，因此可以看到电流i'流过。从电池正极经R1、线圈、P2连接到电池负极。

5、在线圈通电A点，电流i'的方向指向端子方向，磁钢板受到线圈的反作用力，产生逆时针方向的旋转力矩。电动汽车无刷电机使用的磁铁数量比较多。通常存在三个线圈组。每个线圈组都有对应的霍尔元件。三相线圈具有三个霍尔元件，使电机旋转更加平稳。并且效率更高.

当磁铁旋转时，霍尔元件感测磁场方向的变化并提供相应的控制。