純電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)分析

1、純電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)分析當(dāng)前推廣的新能源汽車，包括燃料電池汽車、純電動(dòng)汽車和插電式混合動(dòng) 力汽車。其中，純電動(dòng)汽車因?yàn)轱@著的環(huán)境效益和能源節(jié)約效益，尤其是在使 用過(guò)程中無(wú)大氣污染物直接排放，所以受到國(guó)家層面的大力推動(dòng)。純電動(dòng)汽車 主要由電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、整車控制系統(tǒng)和電池系統(tǒng)3部分構(gòu)成。其中，電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主要部件包括電機(jī)、功率轉(zhuǎn)換器、控制器、減速器以及各種檢測(cè)傳感器等， 功能是將電能直接轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)作為純電動(dòng)車行使過(guò)程中的主 要執(zhí)行結(jié)構(gòu)，其驅(qū)動(dòng)特性決定了主要駕駛性能指標(biāo) 1。因此，要改善純電動(dòng)汽 車的行駛性能，就需研究電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)化方案。1電機(jī)驅(qū)動(dòng)集成裝置純電動(dòng)汽車的電機(jī)驅(qū)動(dòng)

2、系統(tǒng)中，電機(jī)將電能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能以產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩， 而減速器與電機(jī)傳動(dòng)連接，在電機(jī)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間起匹配轉(zhuǎn)速和傳遞轉(zhuǎn)矩的作 用。目前，電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的這3部分主要采用分體設(shè)計(jì)，然后由整車廠組裝成為 一個(gè)整體。這種組裝形成的電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置，整體體積一般很大，因而對(duì)空間需 求也大。為使電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置能便利地在整車機(jī)艙布置，現(xiàn)有的一種解決方案是 集成關(guān)聯(lián)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)部件。如圖1所示，此新型裝置由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、控制器、減速 器和連接軸等主要部件集成。在電機(jī)驅(qū)動(dòng)集成裝置中，減速器位于驅(qū)動(dòng)電機(jī)的 第一端，且與其延伸出的輸出軸傳動(dòng)連接。連接軸與減速器傳動(dòng)連接，且沿驅(qū) 動(dòng)電機(jī)的側(cè)面向其第二端延伸?？刂破魑挥谶B接軸的上方，與其連接

3、的接線盒 用于容置驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電源線和控制線2。減速器的連接軸沿驅(qū)動(dòng)電機(jī)的側(cè)面延 伸，使得整個(gè)電驅(qū)動(dòng)裝置的長(zhǎng)寬尺寸相對(duì)較少。由于連接軸的尺寸遠(yuǎn)小于電機(jī) 的尺寸，且其所處位置的高度相對(duì)較低，將控制器直接設(shè)置在連接軸上方，就 實(shí)現(xiàn)整體高度的降低。相比于將控制器設(shè)置于電機(jī)的上方，此電機(jī)驅(qū)動(dòng)集成裝 置充分利用連接軸上方的空間，做到較小體積，因而對(duì)空間需求也小。2定子鐵芯繞組絕緣隔離部件純電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)由定子和轉(zhuǎn)子組成，通過(guò)它們的相對(duì)旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)電能 與機(jī)械能的轉(zhuǎn)換。定子由鐵芯和繞設(shè)在鐵芯上的繞組構(gòu)成，是旋轉(zhuǎn)電機(jī)的固定 部分。鐵芯上通常開設(shè)有安裝槽，繞組所包含的繞組導(dǎo)線則穿設(shè)在安裝槽中。 為了確保繞組與鐵

4、芯之間以及繞組導(dǎo)線之間的電氣絕緣，安裝槽內(nèi)通常設(shè)置有 絕緣隔離件。絕緣隔離件占據(jù)的槽內(nèi)空間越大，安裝槽的槽滿率越小，旋轉(zhuǎn)電 機(jī)的功率密度和轉(zhuǎn)矩也會(huì)越小。為提高繞組導(dǎo)線占據(jù)安裝槽內(nèi)空間比例，現(xiàn)有 的一種解決方案是減少鐵芯繞組電氣絕緣隔離件。如圖2所示，鐵芯的安裝槽中布設(shè)有多個(gè)導(dǎo)線組，多個(gè)導(dǎo)線組在安裝槽的深度方向逐個(gè)分布。傳統(tǒng)的絕緣隔 離件通常由絕緣紙折彎成占據(jù)較大槽內(nèi)空間的 S型或B型。此新型絕緣隔離部件 則利用同一安裝槽中依次兩兩分布的繞組導(dǎo)線相位基本相同的特點(diǎn)，將隸屬于 同一個(gè)導(dǎo)線組的兩根繞組導(dǎo)線直接接觸，避免在兩者之間設(shè)置絕緣隔離件，進(jìn) 而采用絕緣折彎組件來(lái)絕緣隔離相鄰的兩個(gè)導(dǎo)線組及導(dǎo)線組

5、與安裝槽的內(nèi)壁3由于同一個(gè)導(dǎo)線組內(nèi)的兩根繞組導(dǎo)線之間無(wú)需設(shè)置絕緣隔離件，因此能減少安 裝槽內(nèi)的絕緣隔離部件所占據(jù)的空間，相應(yīng)地提高繞組導(dǎo)線的布設(shè)空間，即安 裝槽的槽滿率。3并聯(lián)逆變功率模塊純電動(dòng)汽車通過(guò)逆變器將動(dòng)力電池的輸出端與電機(jī)的三相繞組連接，將直 流輸出轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣鬏敵?，以供電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行。隨著大功率驅(qū)動(dòng)電機(jī)的廣泛 應(yīng)用，電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的功率密度要求更高。若使用傳統(tǒng)三相全橋逆變器，會(huì)受 功率器件的最大允許電流限制，容易產(chǎn)生過(guò)流、過(guò)熱等常見的失效模式。如果 逆變器的一個(gè)橋臂出現(xiàn)故障而不能正常開閉，則整個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)將不能工作， 導(dǎo)致電動(dòng)汽車失去動(dòng)力，帶來(lái)安全隱患。為降低逆變模塊中使用的功率器

6、件的 功率要求，現(xiàn)有的一種解決方案是并聯(lián)設(shè)置逆變功率模塊。如圖3所示，此新型電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的第一逆變功率模塊和第二逆變功率模塊為硬件完全相同的逆變 功率模塊。兩逆變功率模塊的直流輸入端均連接電動(dòng)車的動(dòng)力電池輸出端，而 模塊的交流輸出端則輸出三相交流電至交流電機(jī)上對(duì)應(yīng)的三相繞組4。第一逆變功率模塊和第二逆變功率模塊中的對(duì)應(yīng)位置處分別設(shè)置有第一傳感器和第二 傳感器。電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)配置互校單元，將兩個(gè)傳感器分別獲得的信號(hào)進(jìn)行相互 比較以判斷第一逆變功率模塊和第二逆變功率模塊的故障情況。任一逆變功率 模塊發(fā)生故障時(shí)，其對(duì)應(yīng)的三相交流輸出端被切斷，并且另一逆變功率模塊的 三相交流輸出端保持輸出三相交流電，提

7、供原來(lái)一半的功率輸出，保障電動(dòng)汽 車可以持續(xù)地安全運(yùn)行。4電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)化方案目前，國(guó)內(nèi)的純電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)仍以單電機(jī)驅(qū)動(dòng)為主。鑒于純電動(dòng)汽車 運(yùn)行過(guò)程中的行駛工況較為復(fù)雜，包括頻繁啟停、快速超車、高速巡航、低速 爬坡等，電動(dòng)汽車只設(shè)有單獨(dú)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)很難滿足車輛在不同路況下的直接驅(qū) 動(dòng)要求。同時(shí)，由于電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩不能調(diào)節(jié)，故在整個(gè)綜合工況下，電 機(jī)系統(tǒng)的效率比較低。為克服上述缺陷，純電動(dòng)汽車應(yīng)設(shè)計(jì)雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的 優(yōu)化方案，提高車輛在不同行駛工況下的驅(qū)動(dòng)效率，從而增加整車的續(xù)航里程。 圖4所示是一種雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，包括信號(hào)單元、整車控制器、第一電機(jī)控制器、 第二電機(jī)控制器、低速驅(qū)動(dòng)電機(jī)及

8、高速驅(qū)動(dòng)電機(jī)。信號(hào)單元將車輛信號(hào)傳送到 整車控制器，整車控制器根據(jù)接收到的車輛信號(hào)來(lái)識(shí)別駕駛指令，并根據(jù)車速 與閾值V1和V2的比較來(lái)確定傳送至第一電機(jī)控制器及第二控制器的控制命令， 其中V1V2。當(dāng)車速低于速度V1時(shí)，整車控制器通過(guò)第一電機(jī)控制器控制低速電 機(jī)運(yùn)行，低速驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出相應(yīng)的扭矩。當(dāng)車速大于V2時(shí)，整車控制器通過(guò)第二電機(jī)控制器控制高速驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行，高速驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出相應(yīng)的扭矩。當(dāng)車速 大于V1且小于V2時(shí)，整車控制器通過(guò)第一電機(jī)控制器及第二電機(jī)控制器控制低 速電機(jī)和高速電機(jī)同時(shí)運(yùn)行，雙電機(jī)配合輸出相應(yīng)的扭矩5。純電動(dòng)汽車現(xiàn)階段使用的主要驅(qū)動(dòng)電機(jī)的是異步感應(yīng)電機(jī)和永磁同步電機(jī)。如表1

9、所示，因?yàn)橛来磐诫姍C(jī)效率高、體積小和重量輕，所以在國(guó)內(nèi)純電動(dòng)汽車上較多使用。但 永磁同步電機(jī)需要使用稀土永磁材料釹鐵硼，而稀土資源又較為貧乏，出于降 低電機(jī)成本及提高加速性能的考慮，國(guó)外純電動(dòng)汽車上較多使用異步感應(yīng)電機(jī)。 異步感應(yīng)電機(jī)的不足主要是效率偏低以及對(duì)冷卻系統(tǒng)和調(diào)速器的性能要求很高。 通過(guò)動(dòng)力分流的方式，采用前后布置兩種不同電機(jī)的方案 6，即前置永磁同步 電機(jī)+后置異步感應(yīng)電機(jī)，可以充分利用永磁同步電機(jī)和異步感應(yīng)電機(jī)的各自特 點(diǎn)，進(jìn)一步優(yōu)化雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)純電動(dòng)汽車的高性能兼長(zhǎng)續(xù)航。如圖5所示，永磁同步電機(jī)主要負(fù)責(zé)中低速的日常駕駛，而異步感應(yīng)電機(jī)則主要負(fù)責(zé)提 供極佳的加速性能和高

10、速度，這是一種節(jié)省成本并提供強(qiáng)大動(dòng)力的高效組合。 永磁同步電機(jī)采用永磁體生成電機(jī)的磁場(chǎng)，在瞬態(tài)仍然可以保證較高的效率， 同時(shí)有著更大的功率密度，因而適用于頻繁啟停的工況以及較小的布置空間。 異步感應(yīng)電機(jī)是將轉(zhuǎn)子置于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)中，成本低、可靠性更高，同時(shí)穩(wěn)態(tài)的效 率也不錯(cuò)，因而適用于高速行駛的工況以及較大的布置空間 7。采用兩種不同 電機(jī)共同驅(qū)動(dòng)車輛，大多工況僅用單電機(jī)驅(qū)動(dòng)的模式就能滿足，剩余場(chǎng)景則采 用同時(shí)雙電機(jī)的大功率輸入來(lái)保證。因?yàn)橛来烹姍C(jī)需克服反拖力矩，而感應(yīng)電 機(jī)無(wú)需克服，所以采用永磁同步+異步感應(yīng)的雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案效率更高。結(jié)合前 文所述的電驅(qū)動(dòng)裝置集成化、定子繞組電氣絕緣精簡(jiǎn)化和逆變功率模塊并聯(lián)化 的技術(shù)，均適用于永磁同步電機(jī)和異步感應(yīng)電機(jī)，可以再進(jìn)一步優(yōu)化純電動(dòng)汽 車雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。其中，電驅(qū)動(dòng)部件集成技術(shù)可進(jìn)一步縮減電驅(qū)動(dòng)裝置的整 體尺寸，優(yōu)化前后機(jī)艙的布置。定子繞組電氣絕緣隔離件簡(jiǎn)化技術(shù)可提高安裝 槽的槽滿率，優(yōu)化繞組導(dǎo)線的布設(shè)空間。逆變功率模塊并聯(lián)技術(shù)可降低功率器 件的上限要求，肖U減安全隱患。因此，通過(guò)集成化、精簡(jiǎn)化和并聯(lián)化，永磁同 步+異步感應(yīng)的雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的成本、效率和安全性能得到進(jìn)一步