能源与气候变化可持续发展

电⼒电⼦技术在新能源汽车领域的应⽤

刁锐

（清华⼤学电机⼯程与应用电⼦技术系，北京，100084） 摘要：由于电⼒电⼦技术“响应性好”、“软控制的灵活性”、“⼩型轻量化的操控”、“⾼的效率”等⼀系列优越的性能，在新能源汽车领域得到了更加⼴泛的应⽤，重要程度不断提升。本⽂综述了电⼒电⼦技术在混合动⼒汽车、纯电动汽车和燃料电池汽车上不可低估的作⽤。

关键词：电⼒电⼦ 混合动⼒汽车 纯电动汽车 燃料电池汽车

0 前⾔

为了满⾜⼈们对汽车的动⼒性、操作稳定性、安全性、舒适性、燃油经济性、对环境的友好性等各⽅⾯不断提⾼的要求，各种电⼦装置不断地被应⽤于汽车［1］，使现代汽车成了⼀个⼴泛的电⽓系统，包含⼤量的电⽓设备［2］.在汽车电⽓系统中,电⼒电⼦技术正起着越来越重要的作⽤，不仅如此,电⼒电⼦技术也是⼀项对未来开发出具有新特性、功能的设备⼗分有⽤的技术。

随着环境污染的不断加重和化⽯能源的储量的减少，世界各国开始⼤⼒发展新能源汽车，我国更是将其列⼊到七⼤战略性新兴产业之中。近年来，我国新能源汽车产业在许多⽅⾯取得了明显进展，⽐如⽐亚迪汽车推出纯电动车e6，DM双模电动车和K9纯电动客车，在⼀些技术⽅⾯达到了世界领先的⽔平，北汽、荣威、众泰等国产新能源汽车也占有了⼀定的市场份额。在国家政策的⼤⼒⽀持和企业、⾼校的共同努⼒下，中国汽车⼯业有望实现“弯道超车”。新能源汽车领域，电⽓技术成为“弯道超车”的关键。

1 三种典型的新能源汽车动⼒系统介绍

根据动⼒来源的多样性,电动汽车可分为纯电动汽车、混合动⼒电动汽车、燃料电池电

动汽车。这些种类均部分或全部地集成了电⽓动⼒系统。

通过对框图的分析，我们可以看出，新能源汽车的主要动⼒系统结构⼤致相同，混合动⼒汽车和燃料电池汽车在纯电动汽车动⼒系统结构的基础上有所发展。通俗的说，可以将混

合动⼒汽车看成电动车和传统汽车的结合，⽽燃料电池汽车可以看成是带有发电装置的纯电动汽车。

电机技术和电压变换技术是与电⽓⼯程及其⾃动化专业相关的重要技术，这两个技术的突破对于汽车性能和能量利⽤效率的提⾼有重要作⽤。蓄电池、超级电容器技术与材料学、化学学科相关，对于汽车安全系数、续航⾥程和充电效率的提⾼以及成本的降低有重要影响。除此之外，动⼒耦合技术、储氢技术等等众多⾼新技术共同构建了⼀个可靠的新能源汽车系统。

2 电⼒电⼦技术在纯电动汽车⾏业的关键技术——驱动电机

电动车使⽤的电机多种多样，包括直流电动机、交流电动机、感应电动机、永磁电动机、开关磁阻电动机和轴向磁通电动机。由于篇幅原因，这⾥只简要介绍⼏种较为重要的电机。

2.1 直流电机

图4 ⽤安培定则判断电动机转动⽅向⽰意图

由左⼿定则，通电线圈在磁场作⽤下受到安培⼒（产⽣电磁转矩），因⽽旋转。

电机由定⼦，转⼦和基座等部分构成。定⼦又分为永磁式（使⽤永久磁铁）和励磁式（使⽤电磁铁），励磁式电动机又根据线圈和转⼦的串并联关系有更加细致的分类。

有刷直流电机的主要优点是控制简单、技术成熟。具有交流电机不可⽐拟的优良控制特性。在早期开发的电动汽车上多采⽤直流电机，即使到现在，还有⼀些电动汽车上仍使⽤直流电机来驱动。但由于存在电刷和机械换向器，不但限制了电机过载能⼒与速度的进⼀步提⾼，⽽且如果长时间运⾏，势必要经常维护和更换电刷和换向器。另外，由于损耗存在于转⼦上，使得散热困难，限制了电机转矩质量⽐的进⼀步提⾼。鉴于直流电机存在以上缺陷，在新研制的电动汽车上已很少采⽤直流电机。

2.2 异步电机（又称感应电机）

这种电机的基本原理是⾼中学习过的电磁感应现象，实现电磁驱动。

图5 感应电动机⽰意图

电机主要由定⼦和转⼦等部分构成。定⼦上有线圈，通交流电，产⽣变化的磁场，当三个互成120度的线圈通⼊三相交流电后，将在空间上产⽣⼀个旋转磁场（可通过计算证明）。

转⼦中的线圈产⽣感应电流，进⽽受到安培⼒，实现转动。

与同样功率的直流电机相⽐较，效率较⾼，质量减轻⼀半左右，价格便宜，维修⽅便。但异步电机的转⼦容易发热，在⾼速运转时需要保证对电机的冷却，同时控制复杂，需要有电⼒电⼦装置进⾏控制，因⽽成本较⾼。

异步电机是应⽤得最⼴泛的电机。其定⼦和转⼦采⽤硅钢⽚叠压⽽成，在转⼦和定⼦之间没有相互接触的滑环、换向器等部件，结构简单，运⾏可靠，经久耐⽤。异步电机的功率覆盖⾯很宽⼴，转速最⾼可以达到 1.2×104～1.5×104r/min。可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，并能够实现再⽣反馈制动。与同样功率的直流电机相⽐较，效率较⾼，质量减轻⼀半左右，价格便宜，维修⽅便。但异步电机的转⼦容易发热，在⾼速运转时需要保证对电机的冷却，否则会损坏电机。异步电机需要采⽤⼤容量的电⼒电⼦装置来控制，因此，异步电机控制系统的造价往往远⾼于异步电机本

⾝，增加了电动汽车的成本。

2.3 磁阻电机

最⼩磁阻原理：“磁通总是沿着磁导最⼩的路径闭合，从⽽产⽣磁拉⼒，进⽽形成磁阻性质的电磁转矩”，同时“磁⼒线具有⼒图缩短磁通路径以减⼩磁阻和增⼤磁导的本性”。

磁阻电机其定⼦与普通的同步电动机⼀样，但转⼦上没有励磁绕组（没有线圈缠绕）。通常转⼦结构上有两个对称轴线，磁阻较⼩的称为直轴，磁阻较⼤的称为交轴。转⼦表⾯有槽以安装笼式绕组，供起动之⽤。若定⼦绕组接上电源⽽产⽣旋转磁场，则在转⼦笼式绕组中将感应出电流并产⽣转矩⽽起动。当转⼦转速接近同步转速时，根据最⼩磁阻原理，电机内部会产⽣磁阻转矩，依靠磁阻转矩可把转⼦牵⼊同步，然后以同步转速运转。

图6 如图，a、b和c不产⽣磁阻转矩，⽽d因为磁⼒线被拉⻓⽽产⽣磁阻转矩

3 国内外不同车型选择的驱动电机技术

3.1统计情况

表 1 不同品牌电动汽⻋使⽤电机种类

电动汽⻋⻋型 主要完成单位 应⽤的电机

秦 ⽐亚迪 永磁直流电动机

MODEL-S 特斯拉 三相交流感应电机

i 3和i 8 宝马eDrive混合同步电机

Panda elettra 菲亚特 直流电机

bongo 马⾃达 直流电机

Seicento elettra 菲亚特 异步电机

GM EV1 通⽤ 异步电机

清华⼤学 异步电机

“清能”系列

燃料电池城市客车

EV Plus 本⽥ 永磁⽆刷电机

RAV4 丰⽥ 永磁⽆刷电机