电动汽车技术培训课件-电机驱动系统讲义

一、直流电动机的分类
直流电动机分为绕组励磁式直流电动机和永磁式直流电动机。在电动汽车所采用 的直流电动机中，小功率电动机采用的是永磁式直流电动机，大功率电动机则采用绕 组励磁式直流电动机。
绕组励磁式直流电动机根据励磁方式的不同，可分为他励式、并励式、串励式和 复励式4种类型。
1．他励式直流电动机 他励式直流电动机的励磁绕组与电枢绕组无连接关系，而由其他直流电源对励磁
绕组供电，因此励磁电流不受电枢端电压或电枢电流的影响。 他励式直流电动机在运行过程中励磁磁场稳定而且容易控制，容易实现电动汽车
的再生制动要求。当采用永磁激励时，虽然电动机效率高、重量轻和体积小，但由于 励磁磁场固定，电动机的机械特性不理想，难以满足电动汽车起动和加速时的大转矩 要求。
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第二节 直流电机驱动系统
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第二节 直流电机驱动系统
二、直流电动机的工作原理
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第二节 直流电机驱动系统
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第二节 直流电机驱动系统
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第二节 直流电机驱动系统
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第二节 直流电机驱动系统
三、直流电动机的调速
1．调压调速 由式可知，在负载转矩T和磁通量不变时，降低电枢电压，可以降低转速，
从而得到一系列平行的机械特性，如图所示。但只能在额定电压以下进行调速。 其优点是：可平滑调速，控制方便；机械特性硬，稳定性好；调速范围大，可 达6～10倍。
直流电机驱动系统即由直流电源供给电机的驱动系统，交流电机驱动系统即由交流电源供给电
机的驱动系统。
电机是电动汽车驱动系统的核心部件，其性能的好坏直接影响电动汽车驱动系统的性能，
特别是影响电动汽车的最高车速、加速性能及爬坡性能等。
电动汽车驱动系统对于电机有以下要求：
（1）高电压。在允许的范围内，尽可能采用高电压面积，特别是可以降低功率转换器的成
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第二节 直流电机驱动系统
3、摩擦和风阻 轴承和电刷有摩擦损耗，转子有风阻，如果转子安装风扇进行冷却，
这个值更大。
4、常数损失 不管电机的速度和扭矩大小，始终存在。
总损失
电机效率
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第二节 直流电机驱动系统
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第二节 直流电机驱动系统
Torque(N.m)
200
0.8 150 0.84
Efficiency Maximum driving torque Maximum braking torque
倍）；为保证汽车能达到最高车速，要求电机高速区处有一定的功率输出。
（4）驱动系统高效，电磁兼容性好，易于维护。
（5）良好的可靠性、耐温、耐潮湿，可以在恶劣的环境条件下长时期运转，结构简
单，适合批量生产。
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第一节 电动汽车的电机驱动系统概述
目前常用的驱动系统主要有两类：直流电机驱动系统和交流电机驱动系统。
动力电池中以实现车辆的再生制动。
作为电动汽车的关键子系统，为了满足汽车的动力性、经济性、排放性，电机驱
动系统具有以下特点：
（1）以电磁转矩为控制目标，加速踏板和制动踏板的开度是电磁转矩给定的目标值，
要求转矩响应迅速，波动小。
（2）电动汽车要求驱动电机有较宽的调速范围，电机能在四象限内工作。
（3）为保证加速时间，要求电机低速时有大的转矩输山和较大的过载倍数（2～4
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第二节 直流电机驱动系统
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第二节 直流电机驱动系统
六、直流电动机的暂波控制
要实现对直流电动机的控制，
一般要使用DC-DC变换器。当DC-
DC以斩波方式工作时，称为直流 斩波器，广泛应用于直流电动机驱
T1
① D1
④
动的电压控制。直流电动机在电动 Ug1 汽车上的应用，要求电动机能够四
象限运行，即要实现正转、正转制
复励式直流电动机的永磁励磁部分采用高磁性钕铁硼材料，运行效率高。由 于电动机永磁励磁部分有稳定的磁场，因此用该类电动机构成驱动系统时易实现 再生制动功能。同时由于电动机增加了励磁绕组，通过控制励磁绕组的励磁电流 或励磁磁场的大小，能克服永磁他励直流电动机不能产生足够的输出扭矩这种缺 陷，以满足电动汽车低速或爬坡时的大扭矩要求，而电动机的重量和体积比串励 式直流电动机小。
电动机高速时的弱磁调速功能易于实现，因此串励式直流电动机驱动系统能较好地
符合电动汽车的特性要求。但串励式直流电动机由低速到高速运行时弱磁调速特性
不理想，随着电动汽车行驶速度的提高，驱动电动机输出转矩快速减小，不能满足
电动汽车高速行驶时风阻大而需要较大输出转矩的要求。
串励式直流电动机运行效率低；在实现电动汽车的再生制动时，由于没有稳定
电动汽车技术培训课件-电机驱 动系统讲义
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目录 • 前言 • 第一节 电动汽车的电机驱动系统概述 • 第二节 直流电机驱动系统
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前言
电驱动系统是电动汽车(EV)和混合动力电动汽车(HEV)的心脏。这些 系统由电动机、功率变换器和电子控制器构成。电动机将电能转换成机械能推 动车辆，或反之将机械能转化为电能进行再生制动和(或)对车载储能装置充 电。功率变换器用来对电动机提供特定的电压和电流。电子控制器根据驾车要 求，通过对功率变换器提供控制信号来控制功率变换器，进而调整电动机的运 行，以产生特定的转矩和转速。电子控制器可进一步分为三个功能单元：检测 器、接口电路和处理器。检测器通过接口电路将所测量的物理量，如电流、电 压、温度、速度、转矩和磁通转换为电信号。这些信号被处理成相应的电平后， 输入处理器。处理器的输出信号通常被放大后，经由接口电路，驱动功率变换 器的功率半导体器件。
绕组通过的线电流值。 3)额定转速。在额定电压输入下，以额定功率输出时对应的电机最低转速。 4)额定功率。在额定条件下，电机轴上输出的机械功率。 5)峰值功率。在规定的时间内，电机允许输出的最大输出功率。 6)最高工作转速。相应于电动汽车最高设计车速的电机转速。 7)最高转速。在无带载条件下，电机允许旋转的最高转速。 8)额定转矩。电机在额定功率和额定转速下的输出转矩。 9)峰值转矩。电机在规定的持续时间内允许输出的最大转矩。 10)堵转转矩。电机转子在所有角位堵住时所产生的转矩最小测得值。 l 1)机械效率。在额定运行时电机轴上输出的机械功率与电机在额定运行时电源输
容。变换器的负载为直流电动机的
（4）高效率，低损耗。应在车辆减速时，实现再生制动能量回收，再生制动回收能量能达
到总能量的10％～15％。
（5）电气系统和控制系统的安全性必须符合国家(或国际)有关车辆电气控制安全性能的 标
准和规定，装备有高压保护设备。
（6）高可靠性。耐温和耐潮性能强，运行时噪声低，能够在较恶劣的环境下长时间工作，
电流有电阻一样，也会产生热量，这样的损耗叫“磁滞损耗” 。因为铁 心本身也是导体，在垂直于磁力线的平面上就会感应电势，这个电势在 铁心的断面上形成闭合回路并产生电流，好象一个旋涡称为“涡流”。 这个“涡流”使电机的铁心发热，电机的温升增加。由“涡流”所产生 的损耗我们称为“涡流损耗”。我们使用的电磁炉就是利用一定频率的 磁场在铁（钢）质容器内形成涡流而产生的涡流损耗发热的。 磁滞损耗 和涡流损耗都产生于电机铁芯，故称“铁耗”也称“铁损。
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前言
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第一节 电动汽车的电机驱动系统概述
电动汽车的电机驱动系统把电能转化为机械能，并通过传动装置(或直接)将能量
传递到车轮进而驱动车辆按照驾驶人意志行驶，是电动汽车的关键系统之一。它在电
动汽车上的具体任务是：在驾驶入操纵控制下，将内燃机，发电机系统、动力电池组
的电能转化为车轮的动能驱动车辆，并在车辆制动时把车辆的动能再生为电能反馈到
的励磁磁场，再生制动的稳定性差。另外，由于再生制动需要加接触器切换，使得
驱动电动机控制系统的故障率较高，可靠性较差，并且此类电动机的体积和重量也
较大。
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第二节 直流电机驱动系统
4．复励式直流电动机 复励式直流电动机有并励和串励两个励磁绕组，电动机的磁通由两个绕组内
的励磁电流产生。若串励绕组产生的磁通量与并励绕组产生的磁通量方向相同， 称为积复励；若两个磁通量方向相反，则称为差复励。
结构简单，适合大批量生产，使用维修方便。
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第一节 电动汽车的电机驱动系统概述
根据驱动电机的工作电源、结构以及工作原理的不同，对电动汽车用驱动电 机进行分类，如图5-1所示。
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第一节 电动汽车的电机驱动系统概述
电动汽车电机驱动系统电机的主要性能参数如下： 1)额定电压。在额定工况运行时，电机定子绕组应输人的线电压值。 2)额定电流。在额定电压下，电机轴上输出的机械功率为额定功率时，电机定子
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第二节 直流电机驱动系统
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第二节 直流电机驱动系统
四、直流电机的效率 1、铜损
绕制变压器需要用大量的铜线，这些铜导线存在着电阻，电流流过时 这电阻会消耗一定的功率，这部分损耗往往变成热量而消耗，我们称这种 损耗为“铜损”。
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第二节 直流电机驱动系统
2、铁损 电机内的磁通是在铁芯上流动的，铁芯对磁通具有磁阻，就像导体对
• 电动机的输出功率小于额定功率时称为轻载运行，轻载时电动机的效率和功率 因数等运行性能均较差，因此电动机应尽量避免轻载运行。
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第一节 电动汽车的电机驱动系统概述
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第二节 直流电机驱动系统
直流电机驱动系统即由直流电源供给电机的驱动系统。由于存在调速性能好、过 载能力强、控制简单等优势，曾经在调速电动机领域独占鳌头。
100 50 0 -50
-100
0.88 0.84 0.84
0.88
0.88 0.88
0.92 0.92
-150 -200
0.84 0.8
0
50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
Motor speed(rad/s)
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第二节 直流电机驱动系统
五、电机的制动
制动扭矩随转速的下降而下降，如外部电阻一定，则电机转速按指数规律下降。
动、反转和反转制动。但对于具有 Ug2 倒车档的车辆，只需要二象限运行。
T2
二象限DC-DC变换器的电路如
D2 ③
②
M
图所示。图中T1 、T2为绝缘栅晶
体管(IGBT），D1、D2为续流二极
管，Ug1、Ug2为驱动电压，其大
小相等，方向相反。电路采用蓄电
池供电，Ub为蓄电池端电压，Rb
为蓄电池等效内阻，C为外接大电
电动机的励磁电流就是电枢电流。电动机内磁场随着电枢电流的改变有显著的变化。
为了使励磁绕组中不引起大的损耗和电压降，励磁绕组的电阻越小越好，所以串励
式直流电动机通常用较粗的导线绕成，匝数较少。
串励式直流电动机在低速运行时，能给电动汽车提供足够大的转矩。在高速运
行时，电动机电枢中的反电动势增大，与电枢串联的励磁绕组中的励磁电流减小，
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第二节 直流电电动机的励磁绕组与电枢绕组并联，共用同一电源，性能与他励式
直流电动机基本相同。并励绕组两端电压就是电枢两端电压，但是励磁绕组用细导 线绕成，其匝数很多，因此具有较大的电阻，使得通过它的励磁电流较小。
3．串励式直流电动机
串励式直流电动机的励磁绕组与电枢绕组串联后，再接于直流电源，这种直流
2．在额定转速以上弱磁升速 由式还可知，在负载转矩T和电枢电压不变时，减弱磁通量(通过在励磁绕
组上串联一个可变电阻进行调节，若电阻增大，励磁电流减少，磁通量也随之 减弱)可以在额定转速以上升高转速，由此得到一系列变陡了的不平行的机械特 性，但仍属硬特性，如图所示。其优点是：可平滑调速，控制方便；机械特性 虽然没有调压调速的机械特性硬，但也是斜率不大的直线，仍属较硬特性，稳 定性也较好；有一定的调速范围，专门生产的弱磁升速的电动机，其调速范围 可达3～4倍。
入到电机定子绕组上的功率之比值。 12)电机及控制器整体效率。电机转轴输出功率除以控制器输入功率。 13)温升。电机在运行时允许升高的最高温度。
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第一节 电动汽车的电机驱动系统概述
• 当电动机在额定运行情况下输出额定功率时，称为满载运行，这时电动机的运 行性能、经济性及可靠性等均处于优良状态。
• 输出功率超过额定功率时称为过载运行，这时电动机的负载电流大于额定电流， 将会引起电动机过热，从而减少了电动机使用寿命，严重时甚至烧毁电动机。
本。这样可以减小电机的尺寸和导线截面积。
（2）小质量。电机应尽量采用铝合金外壳，以降低电动机的质量，还要设法降低电机控制
器和冷却系统的质量，一般为工业用电动机的1/2~1/3。
（3）较大的起动转矩和较大的调速范围，使电动汽车有好的起动性能和加速性能，从而获
得起动、加速、行驶、减速、制动所需的功率与转矩。