电动汽车驱动电机及控制系统

永磁无刷直流电动机的工作原理示意图
4. 不同类型的电机
4. 永磁同步电动机
永磁同步电动机实际上是一种凸极式电动机，一般其在定 子结构上采用与三相交流电动机相似的三相对称绕组，交 流电源通过交—直—交电压型逆变器或直—交电压电压型 逆变器，调制为电压可变化的三相正弦波电压，输入永磁 同步电动机三相对称绕组后，产生三相对称的三相电流， 在正弦波定子电流和正弦波反电动势的作用下，气隙中产
它采用永磁体转子，没有励磁损耗：发热的电枢绕组又装在外面的定 子上，散热容易，因此，永磁无刷直流电动机没有换向火花，没有无 线电干扰，寿命长，运行可靠，维修简便。
它的转速不受机械换向的限制，如果采用空气轴承或磁悬浮轴承，可 以在每分钟高达几十万转运行。永磁无刷直流电动机机系统相比具有 更高的能量密度和更高的效率，在电动汽车中有着很好的应用前景。
5. 新能源汽车电机的发展
美国以及欧洲研制的电动汽车多采用这种电动机，如Chrysler公司生 产的Epic Van；Ford公司生产的Ranger EV，通用汽车公司生产的 IMPACT和EH电动汽车。
国内也采用感应电动机作为电动汽车的驱动电机也比较多，如胜利 SL6700DD电动客车，郑州华联ZK6820HG-1电动轻型客车。但其最大 缺点是驱动电路复杂，相对永磁电机而言，其效率和功率密度偏低， 因此有被其它新型永磁电机逐步取代的趋势。
第五章 电动汽车驱动电机及 控制系统
1.电机驱动系统的作用与组成
电动汽车电机驱动系统是新能源汽车的核心技术 之一，它的主要任务是按驾驶员的驾驶意图，将动力 电池的化学能高效地转化为机械能，经过变速器、驱 动轴等机构驱动车轮。电动机驱动系统主要有电动机、 功率器件和控制系统组成。
1.电机驱动系统的作用与组成
4. 不同类型的电机
3. 永磁无刷直流电动机
永磁无刷直流电动机的工作原理是利用电动机转子位置传感器输出信号控制 电子换向线路去驱动逆变器的功率开关器件，使电枢绕组依次通电，从而在 定子上产生跳跃式的旋转磁场，拖动电动机转子旋转。同时，随着电动机转 子的转动，转子位置传感器又不断送出位置信号，以不断的改变电枢绕组的 通电状态，使得在某一磁极下导体中的电流方向保持不变，这样电动机就旋 转起来了。
5. 新能源汽车电机的发展
直流电机的效率和转速相对较低，其换向器维护困难，直流电机价格 高、体积和重量大。随着控制理论和电力电了技术的发展，直流驱动 系统与其它驱动系统相比，己大大处于劣势。因此，目前国外各大公 司研制的电动车电气驱动系统己逐渐淘汰了直流驱动系统。
20世纪90年代后，交流电机驱动系统的研制和开发有了新的突破。相 比直流电机，交流电机体积小、质量轻、效率高、调速范围宽、可靠 性高、价格便宜、维修简单方便，在电动汽车上得到了广泛应用。交 流电机包括异步电机、永磁电机以及开关磁阻电机。
回馈技术的应用一方面增加了电驱动车辆一次充电的续驶 里程，另一方面减少了传统制动器的磨损，同时还改善了 整车动力学的控制性能。
4.制动能量回馈系统
再生制动系统由驱动轮、主减速器、变速器、电动机、AC/DC转换器 、DC/DC转换器、能量储存系统以及控制器组成。
本章课程结束
5.开关磁阻电动机 开关磁阻电动机是一种新型电动机，该系统具有很多明显的特点：它
的结构比其它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。
开关磁阻电动机具有高度的非线性特性，因此，它的驱动系统较为复 杂。它的控制系统包括功率变换器。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。
和耐潮性，并在运行时噪声低，能够在较恶劣的环境下长期工作。
10.结构简单，适合大批量生产，使用维修方便，价格便宜等。
4. 不同类型的电机
1.直流电动机
有刷直流电动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。
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。
力系统、动力电池系统发送车辆的运行状态控制指令，同时控制车载 附件电力系统的工作模式 VCU具有整车系统故障诊断保护与存储功能。
1.整车控制器VCU
VCU包括外壳、硬件电路、底层软件和应用层软件，硬件电路、底层 软件和应用层软件是VCU的关键核心技术。
2.电机控制器MCU
电机控制器，简称MCU，是新能源汽车特有的核心功率电子单元，通过 接收VCU的车辆行驶控制指令，控制电动机输出指定的扭矩和转速，驱 动车辆行驶。
普锐斯动力控制单元的组成结构示意图
以普锐斯油电 混合动力系统 为例，系统中 安装有由变频 器、可变电压 系统、DC/DC 转换器组成的 动力控制单元。
变频器
普锐斯电动汽车带转换器的变频器总成示意图
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ动汽车的控制系统
1.整车控制器VCU
VCU是实现整车控制决策的核心电子控制单元。 VCU功能： 通过采集油门踏板、挡位、刹车踏板等信号来判断驾驶员的驾驶意图 通过监测车辆状态（车速、温度等）信息，由VCU判断处理后，向动
汽车启动电机
汽车发电机
3. 新能源汽车对电机的要求
1 .高电压。在允许的范围内，尽可能采用高电压，可以减小电动机的 尺寸和导线等装备的尺寸，特别是可以降低逆变器的成本。
2 .转速高。电动汽车所采用的感应电动机的转速可以达到 800012000r/min，高转速电动机的体积较小，质量较轻，有利于降低装车 的装备质量。
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。 鉴于直流电动机存在以上缺陷， 在新研制的电动汽车上已基本不采用 直流电动机。
4. 不同类型的电机
2.交流三相感应电动机 交流三相感应电动机是应用得最广泛的电动机。其定子和转子采用硅
钢片叠压而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。 交流感应电动机的功率覆盖面很宽广，转速达到12000～15000r/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，井能够实现再生反馈制动。与同样功率的直流电 动机相比较，效率较高，质量减轻一半左右，价格便宜，维修方便。
实现把动力电池的直流电能转换为所需的高压交流电、并驱动电机本体输 出机械能。
同时，MCU具有电机系统故障诊断保护和存储功能，当诊断出异常时， 它将会激活一个错误代码，发送给整车控制器。MCU会将电机控制系统 运行状态的信息发送给整车控制器。
电机控制系统使用了电流、电压、温度传感器来提供电机的工作信息。
生旋转磁场，带动转子跟随旋转磁场同步旋转。
4. 不同类型的电机
4. 永磁同步电动机
定子铁芯与 绕组
装在机座里的定子
4. 不同类型的电机
4. 永磁同步电动机——工作原理
4. 不同类型的电机
4. 永磁同步电动机
ns
S
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T
N
永磁同步电动机的结构示意图 三相永磁同步电动机工作原理示意图
4. 不同类型的电机
4. 不同类型的电机
2.交流三相感应电动机
U1 V2
W2
W1
V1
U2
笼型三相异步电动机的结构
异步电机工作原理图
4. 不同类型的电机
3. 永磁无刷直流电动机 永磁无刷直流电动机是一种高性能的电动机。具有直流电动机特性的
无刷直流电动机，反电动势波形和供电电流波形都是矩形波，所以又 称为矩形波同步电动机。
总之，电动汽车驱动电机总的发展趋势是由通用走向专用，由直流走 向交流；电机的功率密度、可靠性及耐久性不断提高；驱动控制系统 向集成化与一体化发展。
逆变器
逆变器（inverter）是把直流电能（电池、蓄电瓶）转变成交流电。它 由逆变桥、控制逻辑和滤波电路组成。
变频器
变频器（Varizble-frequency Drive,VFD）是应用变频技术与微电子技 术，通过改变电动机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制 设备。变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、逆变（直流变交流 ）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成。
5. 新能源汽车电机的发展
永磁电机包括永磁无刷直流电机和永磁无刷同步电机两种。永磁无刷 直流电机是在直流电机的基础上不再用电刷和换向器，起动转矩大、 过载能力强，非常适合电动车的运行特性。随着稀土永磁材料的开发 和应用，永磁无刷电机的性能有了很大的提高，是未来最有发展前景 的驱动电机之一。
开关磁阻电机(SRM )是英国于1983年首次正式推出的，经过多年的研 制开发，己成为现代电动汽车交流驱动的又一个新支，它具有可控相 数多、实现四象限控制方便、成本低。
实验证明，配备完善电源管理系统的电池组，其循环寿命 是不配管理系统电池组的3倍以上。
3.电源管理系统BMS
电池包的结构组成
4.制动能量回馈系统
制动能量回馈，又称回馈制动或再生制动，在电动汽车一 般采取电能式再生制动能量回收方法，是指在减速或制动 过程中，驱动电机工作于发电状态，将车辆的部分动能转 化为电能储存于储能装置中（如各种蓄电池、超级电容和 超高速飞轮），同时施加电机回馈转矩于驱动轴，对车辆 进行制动。
电源（蓄电池）
变速杆
加速踏板 控制器 制动踏板
功率转换器
电动机
各种检测传感器
控制信号流向
动力电源流向
电机驱动系统基本组成框图
2. 电机的基本概念
1.电机 电机，是指依据电磁感应定律实现电能转换或传递的电磁装置。它的
主要作用是产生驱动转矩，作为车用电器或各种机械的动力源。通常 指电动机与发电机。
6.电动汽车驱动电动机应具有高的可控性、稳态精度、动态性能，以 满足多部电动机协调运行，而工业驱动电动机只要求满足某一种特定 的性能。