電動汽車的電氣驅動技術及其發展研究

孫葉寧

摘要：近年來，我國交通業的飛速發展，導致我國能源消耗危機和環境污染問題的加劇，但這也為電動汽車的誕生和汽車產業，以及能源安全和低碳經濟的長足發展帶來新的增長動力。為此，本文圍繞電動汽車的電氣驅動系統構成以及電動汽車發展的趨勢進行分析，并圍繞汽車行業中采用的電驅動技術進行研究，解讀電動驅動系統對于新能源汽車動力總成的作用，并分析和比較幾種商業化的電驅動系統。

Abstract： In recent years， the rapid development of China's transportation industry has led to the aggravation of the Chinese energy consumption crisis and environmental pollution problems， but this also brings new growth impetus for the birth of electric vehicles and the automobile industry， as well as the rapid development of energy security and low-carbon economy.To this end， this paper analyzes the composition of the electric drive system of electric vehicles and the development trend of electric vehicles， and studies the electric drive technology adopted in the automobile industry， interprets the role of the electric drive system for the powertrain of new energy vehicles， and analyzes and compares several commercial electric drive systems.

關鍵詞：電動汽車;電氣驅動技術;新能源汽車;動力系統

Key words： electric vehicles;electric drive technology;new energy vehicles;power system

中圖分類號：U469.72+2 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2022）03-0205-03

0 ?引言

由于我國經濟的大力發展，造成很多不可再生資源日益減少，在發展的過程中忽視了對環境的保護，造成了嚴重的水污染、大氣污染等問題，以此人們需要嚴肅對待能源消耗危機和環境惡化問題，協調處理好人們生命健康以及社會發展之間的關系。電動汽車的自身的節能、環保的優勢，既滿足了人們對交通出行的需求，又減緩石油、煤炭等不可再生資源的枯竭與環境惡化問題。所以，電動汽車不管從能源安全方面、環境保護方面還是經濟發展方面，都起著重要推動作用。

1 ?電動汽車的發展及電氣系統的構成

1.1 電動汽車發展核心問題

電動汽車的發展核心主要是研發電氣驅動系統，以此取代以往運用的燃油作為原料，借助電池作為車載能源來驅動汽車行駛。其發展核心主要可以從三個方面考量：一是電動汽車可以代替燃油汽車，可以滿足人們代步的需求，而且其功能作用也符合燃油汽車各項功能、價格指標等，代替燃油汽車滿足社會交通和經濟發展的需求;二是，燃油汽車使用的燃料資源是有限的，如果大批量生產或者不加限制使用，會造成自然界不可再生資源的枯竭，而且大肆使用自然能源用作汽車燃料，也會對大氣環境造成嚴重的污染，破壞生態環境平衡，威脅環境安全和人類健康。然而電動汽車可以很好地減少對環境的污染，減少汽車尾氣排放量，契合國家綠色環保的理念;三是無論燃料電池電動汽車、純電動汽車還是混合動力電動汽車，電氣驅動技術既是關鍵技術又是共性技術。與普通工業用電機驅動系統不同的是，車用電機驅動系統對性能要求高，需要投入的成本和人力資源都較大，而且具有很大的研發難度[1]。

1.2 電動汽車電氣系統構成

1.2.1 電動汽車驅動電機

早期電動汽車驅動電機大部分是運用直流電機。電機的結構應由定子和轉子兩大部分組成。運行時靜止不動的部分稱為定子，定子的主要作用是產生磁場，運行時轉動的部分稱為轉子，其主要作用是產生電磁轉矩和感應電動勢，是直流電機進行能量轉換的樞紐。無刷直流電機主要由用永磁材料制造的轉子、帶有線圈繞組的定子和位置傳感器組成。如圖1所示。

直流電機驅動系統改變輸入電壓或電流可以實現對其轉矩的獨立控制，進行平滑調速，其技術發展相對成熟，而且應用成本低。但是也存在不足之處，直流電機的絕對效率不高，而且其體積和質量較大，散熱速度慢，并不能很好地滿足現代電動汽車長遠發展和實用價值的需求。在當下電力電子技術、大規模集成電路和計算機技術的發展以及各種新材料的研發與應用，機電一體化的驅動系統呈現出其優越性[2]。

1.2.2 變速器

大多電動汽車都很少會安裝變速箱，其主要原因并不是因為裝配變速箱有很大難度，而且從研發成本以及開發程度考慮，如果圍繞電動汽車裝配變速箱，進行專門開發，還是有很大難度的。因為電動機在任何“轉速”下產生的扭矩都是大的，變速箱不管處于哪一個檔位，都會受到較大的扭矩沖擊，這是限制電動車開發變速箱的一個難點問題，而且其研發成本也會超出預期，相比研發一套“三電”系統的成本還要高出很多。而且機械變速箱的結構，很難匹配電動汽車極為快速、直接的響應。所以，很多電動汽車生產商會因多方面原因考慮，很少會專門研發和裝配變速箱。

1.2.3 功率變換器

在現代電動汽車電驅動系統中，通過功率變換器將電池儲存的直流電經電壓/頻率變換后供給電機和其他交流負載使用。以48V輕混電動汽車為例，其功能需要滿足以下要求：一是靈活性，體現在局部可變功率設置、軟啟動或數字電流調節、故障識別和可變相移等;二是強調效率，對部件負載范圍內單個相位關閉，或是利用變頻選擇優化效率;三是溫度把控，利用技術手段加強對溫度的監測，并按照需求進行風扇控制，各相位負載依溫度分布。

1.2.4 電子控制系統

從整車控制系統結構上看，電動汽車動力系統都有專屬的控制器，控制器是控制系統的核心紐帶，其功能優勢方面，實現了數據信息的交互，進行安全管理，能夠在不同能量源之間，完成需求功率分配的任務，并可以接收駕駛員操作信號，還能為分布式分層控制提供了條件。分布式分層控制可以實現控制系統的拓撲分離和功能分離。

2 ?電動汽車電氣驅動技術

對于電動汽車來說，電氣啟動系統是保證其正常運轉的核心部件，主要由電機、電力電子與控制技術共同組成，其主要工作任務在于，在駕駛員的控制下，將蓄電池中的電能，高效地轉化為車輪的動能，或者將車輪產生的動能，傳輸至蓄電池當中。

2.1 電機

其中電機是電氣驅動系統的關鍵部位，其尺寸、質量等性能與電動汽車的整體效率之間存在著直接的聯系，在實際應用過程中，依據電流流線的不同，主要可以被分成直流電機與交流電機兩種。

2.1.1 直流電機

在過去很長一段時間內，由于直流電的控制難度較低，因此電動汽車大多使用直流變速的驅動方式，并且在實際應用過程中，依據勵磁方式的不同，直流電機又可以分成串勵直流電機、并勵直流電動機、復勵直流電動機與他勵直流電機。

首先，串勵直流電動機是先將勵磁繞組與電樞繞組進行串聯然后與直流電源進行連接，這種情況的出現使得勵磁繞組的電流與電樞繞組相一致，電樞電流的變化將會對電動機內磁場強弱產生影響，在使用這種電動機時，為避免大損耗與大電壓壓降的出現，需盡可能降低勵磁繞組的電阻，這就使得串勵直流電動機勵磁導線較粗，并且匝數較少。

其次，并勵直流電動機主要將勵磁繞組與電樞繞組并聯后，與電源接通，這種情況使得并勵繞組兩端電壓與電樞兩端電壓一致，但由于勵磁繞組中存在匝數較多的細導線，這就導致勵磁繞組的電阻較大，而電流較小。

再次，復勵直流電動機中包含串勵與并勵2個勵磁繞組，這就使得電動機的磁通由這兩個繞組內的勵磁電流產生，在實際設計過程中，復勵直流電動機的永磁勵磁部分材料主要為高磁性的銣鐵硼，這種材料的應用有效提升了電動機的運行效率，并且由于電動機的勵磁部分磁場穩定性較高，因此，在使用這種電動機構成的驅動系統時，再生制動功能實現難度較低，并且由于該電動機增加了增磁繞組，這就使得電動汽車在低速或爬坡時對于大轉矩的要求更容易實現。

最后，他勵直流電動機的勵磁繞組與電樞繞組間沒有連接，這使得勵磁繞組所需要的電力主要由其他直流電源提供，在這種情況下，他勵直流電動機的勵磁電流并不會受到電樞端電壓或電流的影響。同時，由于他勵直流電動機在使用過程中，勵磁磁場的穩定性較高，控制難度較低，因此更容易實現電動汽車對再生制動的需要，但若將永磁激勵應用于他勵直流電動機中，盡管電動機的效率將會提高，其體積與重量將會減小，但由于磁場過于固定，這就使得電動機的機械特性下降，進而導致驅動電動機輸出的轉矩無法滿足汽車啟動與加速時對轉矩的要求。以某款電動大客車為例，對串勵直流電機與他勵直流電機的再生制動作用進行比對可以發現，串勵直流電機的再生制動作用比他勵直流電機的小5%，能量消耗大19%，這種情況的出現使得盡管他勵直流電動機裝置更為復雜，但由于其使用更為便利，因此，當前我國直流電動機汽車所使用的電動機大多為他勵直流電動機[3]。

2.1.2 交流電機

近年來，隨著電力電子技術、集成技術、計算機技術等高新技術的不斷發展，以及各類新材料的不斷出現，電機一體化的交流驅動系統因有著效率高、工作可靠性強等優點，逐漸得到人們的廣泛應用。首先，現階段，在電動汽車驅動系統中，較為常用的交流電動機主要包括感應電動機、永磁同步電動機與開關磁阻電動機3類。并且當前以感應電動機為驅動電動機的電動汽車數量較多，以美國通用汽車公司所生產的電動汽車Impact為例，這款汽車主要采用前輪駕駛，并且在每個輪子上都配備了感應電動機，電動機的功率為42.5kW，轉速為6600轉/min，并且該汽車還配備了MOSFET型的逆變器，為汽車的正常行駛提供了有效的支持。

其次，由于永磁同步電動機能量密度較高，這就使得其在保證較高效率的同時，有著較小的體積，這種情況的出現使得這款電動機有著較為廣闊的發展前景。在實際制作過程中，永磁同步電動機主要材料為高磁能稀土，并且其結構中沒有滑環、勵磁繞組與勵磁銅耗，這種情況的存在使得永磁同步電動機的功率與效率都比異步電機大，但由于永磁材料價格較高，因此，這種電動機的使用范圍仍比較小。

最后，開關磁阻電動機有著結構較為簡單、電流沖擊較小、起動性能較好、效率較高等優點，在當前電動汽車的生產制造過程中受到了人們的重視。舉例來說，當前英國的Bedford電瓶貨車就采用了20kW的開關磁阻電機電動機作為自身的動力源，這款貨車在公路上成功運行了482.7km，最高時速可達80.45km/h。

2.2 電力電子技術

電力電子技術主要可分成功率變換器與電力電子器件2部分，其中功率變換器又包括直流電動機的斬波器與交流電動機的逆變器兩種。

2.2.1 斬波器

對于直流電動機來說，對其進行調速的主要部件為斬波器，這種器件的功率電路較為簡單，并且工作效率也比較高，近年來，隨著科學技術的不斷發展，斬波器的頻率越來越高，因此在直流牽引調速過程中，斬波器的應用頻率不斷提升?，F階段，對于采用直流驅動的電動汽車來說，無論是哪種勵磁方式，斬波器都是較為有效的功率變換器，并且，當前較為常見的斬波器功率電力電子器件主要包括MOSFET、BJT、IGBT等[4]。

2.2.2 逆變器

在DC/AC變換過程中，較為常用的方式包括直流斬波器和逆變器結合、PWM逆變器2種方式，對電動汽車來說，由于電源電壓相對較低，若采用直流斬波器和逆變器結合的方式進行DC/AC變換，受能量傳輸環節過多的影響，整個電路系統的效率將會大大降低，而PWM電壓型逆變器則不會出現上述問題。在實際應用過程中，PWM的發展趨勢主要有3種，首先，為進一步提高PWM電壓型逆變器的工作頻率，可以借助IGBT元件，減少低頻諧波分量以及電動汽車啟動時所產生的電流沖擊;其次，為擴大PWM電壓型逆變器的調速范圍，可以通過提高電機額定頻率的方式，滿足電動汽車的運行要求，同時，為進一步提高功率比，則可以通過減少電機重量與體積的方式，為電動汽車體積的減小提供加追;最后，為進一步提高電動汽車系統的穩定性，可以在PWM電壓型逆變器設計過程中融入以DPS為核心的計算機控制系統，提升矢量控制運算的可靠性，降低電流沖擊，提升系統的控制效率。

2.3 控制技術

對于電動汽車來說，控制系統是否可靠與其運行的安全性與穩定性之間存在著直接的聯系，即便電動汽車的電機一致，但兩者的控制方式不同，那么其輸出也會產生極大地差別?，F階段，對于一些功率較小的電動汽車來說，由于其所需性能不高，因此，其控制方式可以選擇較為簡單的開環控制;但對于一些功率較大，性能要求較高的電動汽車來說，不僅需要保證電動機的性能能夠滿足汽車的正常使用需要，還需要保證其控制系統能夠對汽車運行情況進行有效的控制?，F階段，對于高功率電動汽車來說，傳統的PI、PD等線性控制方式已經無法滿足其對于系統控制工作的要求，近年來，隨著科學技術的不斷發展變壓變頻、矢量控制、直接轉矩控制、變結構控制等控制方式被應用到了電動汽車系統控制過程中，并且有效提升了電動汽車系統控制工作的質量。此外，在信息化、智能化技術的發展背景下，類似模糊控制、神經網絡、專家系統等智能控制系統也逐漸被應用到了電動汽車的驅動系統當中，這種情況的出現正在推動電動汽車朝著智能化、現代化的方向發展。

3 ?電動汽車電氣驅動技術未來發展展望

近年來，隨著人們環保意識的不斷增強，我國電動汽車的保有量不斷上漲，據公安部統計，截止到2020年年底，我國新能源汽車保有量達到了492萬輛，占汽車總保有量的1.75%，其中純電動汽車保有量達到了4百萬輛，占新能源汽車總量的81.32%，并且新能源汽車的年增長量連續3年超過了一百萬輛。在上述情況下，為進一步提升電動汽車的可靠性，我國已經初步建立了具有自主知識產權的異步電機系統開發平臺，能夠滿足小批量電動汽車的研發、生產、制造與服務體系要求，大功率的異步電機系統也已經被各類電動客車所應用，這種情況的出現使得人們更好地認識到了電動汽車產品的可靠性?，F階段，為進一步推動電動汽車的穩定性，加強對電動汽車電氣驅動技術的研究，成為了一項極為必要的工作，從研發人員的方面來說，為保證電動汽車電氣驅動技術的有效發展，對當前電動汽車電氣驅動技術的使用情況進行調查研究，并且以此為基礎，不斷強化電氣驅動技術的能源安全、環境要求，并且盡可能降低其成本，已經成為一項極為必要的工作。從國家的角度來說，當前電動汽車的發展不僅僅需要技術方面的優化，還需要國家方面的支持，現階段，為進一步提升我國電動汽車在汽車市場上的比例，降低汽車所產生的環境污染，政府部門可以通過政策引導的方式，使電動汽車發展企業明確自身的發展目標，切實推動電動汽車行業的健康發展。具體來說，在很長一段時間內，我國的電動汽車行業規模較小，零部件配套體系不夠健全，這種情況大大降低了人們對電動汽車的興趣，現階段，為切實解決上述問題，政府方面可以以市場導向為基礎，加強整車與零部件企業間的聯系，推動三位一體方式的發展，從而達到推動電動汽車產業化的進程，同時，政府方面可以通過退稅、政策補貼等方式，進一步吸引消費者購買電動汽車，從而達到推動電動汽車行業整體發展的目的[5]。

4 ?結語

在當前的社會發展過程中，化石能源的存儲量日漸短缺，自然資源供給能力與生態承載力間的矛盾越發突出，現階段，為切實降低對化石能源的消耗量，以電能這種清潔能源為動力的電動汽車受到了人們的廣泛歡迎，面對這種巨大的市場需求，電動汽車技術、產業研究人員應通過不斷深入研究的方式，進一步提升電動汽車的使用價值。

參考文獻：

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