一文了解電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選配原則

中國(guó)新能源汽車(chē)明確純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)技術(shù)路線(xiàn)以后，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選配設(shè)計(jì)就顯得尤為重要了。下面就電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選配原則予以探討。

一、純電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)形式

車(chē)載內(nèi)燃機(jī)輸出的動(dòng)力直接來(lái)驅(qū)動(dòng)汽車(chē)運(yùn)動(dòng)（前行或后退），這個(gè)內(nèi)燃機(jī)在汽車(chē)行業(yè)內(nèi)被稱(chēng)之為發(fā)動(dòng)機(jī)。發(fā)動(dòng)機(jī)是一種與汽車(chē)運(yùn)動(dòng)聯(lián)接在一起的車(chē)載內(nèi)燃機(jī)。發(fā)動(dòng)機(jī)與一般的內(nèi)燃機(jī)相比，有了更多工況特性。可以說(shuō)，發(fā)動(dòng)機(jī)是一種特別的內(nèi)燃機(jī)。

發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)汽車(chē)運(yùn)動(dòng)的形式不同，于是發(fā)動(dòng)機(jī)裂變成了不同類(lèi)別。主要是按發(fā)動(dòng)機(jī)在汽車(chē)中的安放不同位置來(lái)劃分的，有前置發(fā)動(dòng)機(jī)、中置發(fā)動(dòng)機(jī)、后置發(fā)動(dòng)機(jī)三種。

由于發(fā)動(dòng)機(jī)在汽車(chē)的位置不同，發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)汽車(chē)又可以細(xì)分，主要有前置發(fā)動(dòng)機(jī)前驅(qū)，前置發(fā)動(dòng)機(jī)后驅(qū)，后置發(fā)動(dòng)機(jī)后驅(qū)三種等。純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)即電動(dòng)機(jī)代替發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)了，如果車(chē)上有內(nèi)燃機(jī)也不再參加驅(qū)動(dòng)汽車(chē)，這個(gè)內(nèi)燃機(jī)就不是發(fā)動(dòng)機(jī)了。

按電機(jī)驅(qū)動(dòng)形式，目前有前置電機(jī)、中置電機(jī)、后置電機(jī)、輪邊電機(jī)、輪轂電機(jī)等多種。

二、驅(qū)動(dòng)汽車(chē)的電機(jī)特性

發(fā)動(dòng)機(jī)是驅(qū)動(dòng)汽車(chē)的內(nèi)燃機(jī)，驅(qū)動(dòng)汽車(chē)的電機(jī)，暫時(shí)叫它驅(qū)動(dòng)電機(jī)吧，這是相對(duì)工廠(chǎng)里用電機(jī)而言的。

（1）由于電動(dòng)汽車(chē)頻繁的啟動(dòng)/停車(chē)、加速/減速，對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制的動(dòng)態(tài)性能要求較高，動(dòng)態(tài)性能越好，電機(jī)技術(shù)水平越高；

（2）設(shè)計(jì)電動(dòng)汽車(chē)，希望要求減少整車(chē)的重量，取消多級(jí)變速器，要求電機(jī)可以提供較高的轉(zhuǎn)矩，通常來(lái)說(shuō)要能夠承受4-5倍的過(guò)載；

（3）驅(qū)動(dòng)電機(jī)不僅要求保持較高的運(yùn)行效率，同時(shí)要求調(diào)速范圍盡量大；

（4）電動(dòng)汽車(chē)要求制動(dòng)能量回收功能，再生制動(dòng)回收的能量一般要達(dá)到總能量的10%-20%，這個(gè)任務(wù)是由電機(jī)來(lái)完成的。這就要求電機(jī)不僅驅(qū)動(dòng)性能好，還要兼顧發(fā)電機(jī)的功能，且要求發(fā)電效率高。

（5）相對(duì)工廠(chǎng)而言，電動(dòng)汽車(chē)運(yùn)動(dòng)環(huán)境更加惡劣、復(fù)雜，防塵、防水、防塵等要求更高。這個(gè)說(shuō)明，驅(qū)動(dòng)電機(jī)必須要求到達(dá)汽車(chē)級(jí)，一般工業(yè)級(jí)電機(jī)是不能直接用于汽車(chē)的。

（6）電動(dòng)汽車(chē)內(nèi)部相對(duì)空間狹小，要求驅(qū)動(dòng)電機(jī)重量輕、體積小。

三、約束驅(qū)動(dòng)電機(jī)的主要指標(biāo)

（1）加速能力（s）：電動(dòng)汽車(chē)從靜止加速到一定的時(shí)速所需要的最小時(shí)間；

（2）最高時(shí)速（km/h）：電動(dòng)汽車(chē)所能達(dá)到的最高時(shí)速。

（3）最大行駛里程（km）：電動(dòng)汽車(chē)在電池充滿(mǎn)電后的最大行駛里程。

（1）加速能力（s）、（2）最高時(shí)速（km/h）是對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的直接性能指標(biāo)，（3）最大行駛里程（km）要求驅(qū)動(dòng)電機(jī)能做到最大限度的節(jié)能。其中，（1）加速能力（s）、（2）最高時(shí)速（km/h）是關(guān)鍵指標(biāo)。

四、目前電動(dòng)汽車(chē)常用驅(qū)動(dòng)電機(jī)比較

1）直流電動(dòng)機(jī)

①直流電動(dòng)機(jī)外形圖及內(nèi)部結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖1、圖2）

圖1 直流電動(dòng)機(jī)外形圖

圖2 直流電動(dòng)機(jī)零部件圖

②優(yōu)點(diǎn)：電機(jī)技術(shù)較為成熟，有著控制方式容易，調(diào)速優(yōu)良的特點(diǎn)。

③缺點(diǎn)：機(jī)械結(jié)構(gòu)。如電刷和機(jī)械換向器等；瞬時(shí)過(guò)載能力不足；電機(jī)轉(zhuǎn)速提高受到限制；在長(zhǎng)時(shí)間工作時(shí)，電機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生損耗，提高了維護(hù)成本；電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)電刷冒出的火花使轉(zhuǎn)子發(fā)熱，浪費(fèi)能量，散熱困難，也會(huì)造成高頻電磁干擾。

④基本趨勢(shì)：直流電機(jī)，在調(diào)速電動(dòng)機(jī)領(lǐng)域內(nèi)有著最為廣泛的應(yīng)用，早期大部分的電動(dòng)汽車(chē)都采用直流電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)。但是其缺點(diǎn)較為明顯，長(zhǎng)期無(wú)法克服，目前的電動(dòng)汽車(chē)已經(jīng)基本將直流電機(jī)淘汰。

2）交流異步電動(dòng)機(jī)

①交流電動(dòng)機(jī)外形圖及內(nèi)部結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖3、圖4）

圖3 交流電動(dòng)機(jī)外形圖

圖4 交流電動(dòng)機(jī)零部件圖

②優(yōu)點(diǎn)：定、轉(zhuǎn)子由硅鋼片疊壓而成，兩端用鋁蓋封裝，定、轉(zhuǎn)子之間沒(méi)有相互接觸的機(jī)械部件，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠耐用，維修方便。與同功率的直流電動(dòng)機(jī)相比效率更高，質(zhì)量約輕了二分之一左右。如果采用矢量控制的控制方式，可以獲得與直流電機(jī)相媲美的可控性和更寬的調(diào)速范圍。交流異步電機(jī)具有效率高、比功率較大、適合于高速運(yùn)轉(zhuǎn)等優(yōu)勢(shì)。

③缺點(diǎn)：高速運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下電機(jī)的轉(zhuǎn)子發(fā)熱嚴(yán)重，工作時(shí)要保證電機(jī)冷卻，同時(shí)異步電機(jī)的驅(qū)動(dòng)、控制系統(tǒng)很復(fù)雜，電機(jī)本體的成本也偏高。與永磁式電動(dòng)機(jī)和開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)相比，異步電機(jī)的效率和功率密度偏低，對(duì)于提高電動(dòng)汽車(chē)的最大行駛里程不利。

④基本趨勢(shì)：交流異步電機(jī)是目前工業(yè)中應(yīng)用十分廣泛的一類(lèi)電機(jī)，已經(jīng)大規(guī)?；a(chǎn)。目前不少電動(dòng)汽車(chē)廠(chǎng)家選用交流異步電機(jī)作為啟動(dòng)電機(jī)，基本控制采用矢量控制的控制方式。在大型電動(dòng)公交車(chē)上的應(yīng)用上，交流異步電機(jī)生命力較強(qiáng)。

3）永磁式電動(dòng)機(jī)

①永磁式電動(dòng)機(jī)外形圖及內(nèi)部結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖5、圖6）

圖5 永磁式電動(dòng)機(jī)外形圖及內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖6 永磁式電動(dòng)機(jī)及控制器

②分類(lèi)：永磁式電動(dòng)機(jī)根據(jù)定子繞組的電流波形的不同可分為兩種類(lèi)型，一種是無(wú)刷直流電機(jī)，它具有矩形脈沖波電流；另一種是永磁同步電機(jī)，它具有正弦波電流。

③優(yōu)點(diǎn)：這兩種電機(jī)在結(jié)構(gòu)和工作原理上大體相同，轉(zhuǎn)子都是永磁體，減少了勵(lì)磁所帶來(lái)的損耗，定子上安裝有繞組通過(guò)交流電來(lái)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，所以冷卻相對(duì)容易。由于這類(lèi)電機(jī)不需要安裝電刷和機(jī)械換向結(jié)構(gòu)，工作時(shí)不會(huì)產(chǎn)生換向火花，運(yùn)行安全可靠，維修方便，能量利用率較高。永磁式電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)相比于交流異步電機(jī)的控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)更加簡(jiǎn)單。

④缺點(diǎn)：永磁電機(jī)最大的缺點(diǎn)是受到永磁材料工藝的限制，使得永磁式電動(dòng)機(jī)的功率范圍較小，一般最大功率只有幾十千瓦。同時(shí)轉(zhuǎn)子上的永磁材料在高溫、震動(dòng)和過(guò)流的條件下，會(huì)產(chǎn)生磁性衰退的現(xiàn)象，所以在相對(duì)復(fù)雜的工作條件下，永磁式電機(jī)容易發(fā)生損壞。而且永磁材料價(jià)格較高，因此整個(gè)電機(jī)及其控制系統(tǒng)成本較高。

⑤基本趨勢(shì)：目前永磁電機(jī)在電動(dòng)汽車(chē)?yán)镆呀?jīng)是主流電機(jī)。

4）開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)

①開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)外形圖及內(nèi)部結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖7）

圖7 開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)外形圖及內(nèi)部結(jié)構(gòu)

②優(yōu)點(diǎn)：開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的結(jié)構(gòu)最為簡(jiǎn)單，定、轉(zhuǎn)子均為普通硅鋼片疊壓而成的雙凸極結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子上沒(méi)有繞組，定子裝有簡(jiǎn)單的集中繞組，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單堅(jiān)固、可靠性高、質(zhì)量輕、成本低、效率高、溫升低、易于維修等諸多優(yōu)點(diǎn)。

③缺點(diǎn)：開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)作為一種新型電機(jī)，目前產(chǎn)品性能有待完善和提升。

④基本趨勢(shì)：相比其他類(lèi)型的驅(qū)動(dòng)電機(jī)而言，它具有直流調(diào)速系統(tǒng)的可控性好的優(yōu)良特性，同時(shí)適用于惡劣環(huán)境，非常適合作為電動(dòng)汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)使用。

⑤基本結(jié)論：作為電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)使用，直流電機(jī)和永磁式電機(jī)在結(jié)構(gòu)和面對(duì)復(fù)雜的工作環(huán)境適應(yīng)性太差，很容易發(fā)生機(jī)械和退磁的故障。開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)應(yīng)用到電動(dòng)汽車(chē)是必然的趨勢(shì)。

六、電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選配原則

1）用技術(shù)成熟的，但是不能用技術(shù)淘汰的產(chǎn)品；

2）用最新技術(shù)的，但是性能要穩(wěn)定的產(chǎn)品；

3）當(dāng)下電動(dòng)物流專(zhuān)用車(chē)原則上選用永磁同步電機(jī)；

4）電動(dòng)車(chē)大客車(chē)原則上也選用永磁同步電機(jī)，不過(guò)選用采用矢量控制的控制方式交流異步電機(jī)，也是一種較好的方案。

七、基本結(jié)論

1）早期的直流電機(jī)基本淘汰了，即使無(wú)軌電車(chē)基本也不用了；

2）積極嘗試采用開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)，當(dāng)下不宜批量采用；

3）當(dāng)下電動(dòng)物流專(zhuān)用車(chē)，不宜批量采用矢量控制的控制方式交流異步電機(jī)；

4）電動(dòng)車(chē)大客車(chē)原則上，8米的客車(chē)建議用永磁同步電機(jī)，10米以上的電動(dòng)客車(chē)，是采用矢量控制的控制方式的交流異步電機(jī)，還是采用永磁同步電機(jī)？有必要添加更多的參考因素，再做進(jìn)一步的論證。