純電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)技術(shù)淺析三部曲—首篇?

純電動(dòng)汽車(chē)結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)不同于傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)汽車(chē)，同樣是一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)工程，需要將動(dòng)力電池技術(shù)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)，汽車(chē)技術(shù)，現(xiàn)代控制理論相集成，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化的控制過(guò)程。國(guó)家在電動(dòng)汽車(chē)科技發(fā)展規(guī)劃中，繼續(xù)堅(jiān)持“三縱三橫”的研發(fā)布局，根據(jù)“純電驅(qū)動(dòng)”技術(shù)轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略，進(jìn)一步突出“三橫”共性關(guān)鍵技術(shù)研究，即研究驅(qū)動(dòng)電機(jī)及其控制系統(tǒng)、動(dòng)力電池及其管理系統(tǒng)、動(dòng)力總成控制系統(tǒng)。各大廠家依據(jù)國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略制定各自的業(yè)務(wù)發(fā)展策略。

筆者在梳理新能源動(dòng)力總成開(kāi)發(fā)過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)，為動(dòng)力總成的設(shè)計(jì)和測(cè)試生產(chǎn)提供理論基礎(chǔ)和參考。計(jì)劃分為3個(gè)篇章來(lái)分析純電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力總成中電驅(qū)動(dòng)關(guān)鍵技術(shù)，今天首先介紹一下電驅(qū)動(dòng)技術(shù)原理和分類(lèi)。

圖1?動(dòng)力總成開(kāi)發(fā)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)

目前純電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力總成的核心關(guān)鍵技術(shù)包括以下四類(lèi)：

圖2?動(dòng)力總成關(guān)鍵技術(shù)

電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)定義?

根據(jù)車(chē)輛動(dòng)力電池狀態(tài)和整車(chē)動(dòng)力需求，把車(chē)載儲(chǔ)能或發(fā)電裝置輸出的電能轉(zhuǎn)成機(jī)械能，并通過(guò)傳動(dòng)裝置將能量傳遞到驅(qū)動(dòng)輪，并在車(chē)輛制動(dòng)時(shí)把部分車(chē)輛機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能回饋到儲(chǔ)能裝置中。電能驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要包括電動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和電機(jī)控制器等部件。電能驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)主要包括電動(dòng)機(jī)的功率、 扭矩、轉(zhuǎn)速、電壓設(shè)計(jì)，減速機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比和動(dòng)力電 源電容量、輸出功率、電壓、電流等設(shè)計(jì)。

圖3 電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

電驅(qū)系統(tǒng)的組成

圖4 電驅(qū)系統(tǒng)的組成

1)電機(jī)控制器

又叫逆變器，將動(dòng)力電池組輸入的直流電變化交流電。核心部件：

◎?IGBT:?電力電子開(kāi)關(guān)，原理：通過(guò)控制器，控制IGBT橋臂一定頻率和順序開(kāi)關(guān)閉合，產(chǎn)生三相交流電。通過(guò)控制電力電子的開(kāi)關(guān)閉合，實(shí)現(xiàn)交變電壓的轉(zhuǎn)換。進(jìn)而通過(guò)控制占空比實(shí)現(xiàn)交流電壓的產(chǎn)生。

◎?薄膜電容:?濾波作用，電流傳感器 ：檢測(cè)三相繞組電流大小。

2）控制驅(qū)動(dòng)電路：電腦控制板，驅(qū)動(dòng)IGBT

電機(jī)控制器的作用：將直流電轉(zhuǎn)換成交流電，接受各個(gè)信號(hào)，輸出相應(yīng)的功率和轉(zhuǎn)矩。核心部件：電力電子開(kāi)關(guān)，薄膜電容，電流傳感器，控制驅(qū)動(dòng)電路將不同開(kāi)關(guān)打開(kāi)，形成方向不同的電流，產(chǎn)生交變電壓。因此我們可以將正弦交流電分割成矩形，矩形的面積進(jìn)行一個(gè)等效轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)成高度相同的電壓，x軸通過(guò)控制占空比實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)短控制，最終實(shí)現(xiàn)面積的等效轉(zhuǎn)換。這樣的化，可以把直流電通過(guò)控制器，控制IGBT橋臂一定頻率和順序開(kāi)關(guān)閉合，產(chǎn)生三相交流電。

目前驅(qū)動(dòng)電路，關(guān)鍵部件依賴進(jìn)口：電容，IGBT/MOSFET開(kāi)關(guān)管，DSP，電子芯片和集成電路，可自主生產(chǎn)但能力弱：專(zhuān)用電路，傳感器，接插件，可以自主生產(chǎn)：電源，二極管，電感，多層線路板，絕緣線，散熱器。

3）電機(jī)：將三相交流電轉(zhuǎn)換成機(jī)械?

圖5 典型電機(jī)的構(gòu)成

◎?結(jié)構(gòu)：前后端蓋，外殼，軸和軸承

◎?磁路：定子鐵芯，轉(zhuǎn)子鐵芯

◎?電路：定子繞組，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體

4）傳動(dòng)裝置

變速箱或者減速器，將電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速改造成整車(chē)所需要的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。

驅(qū)動(dòng)電機(jī)的類(lèi)型

驅(qū)動(dòng)電機(jī)分為以下四類(lèi)，目前新能源電動(dòng)汽車(chē)以交流感應(yīng)電機(jī)和永磁同步電機(jī)最為普遍。所以我們重點(diǎn)關(guān)注交流感應(yīng)電機(jī)和永磁同步電機(jī)的技術(shù)。

1）交流感應(yīng)異步電機(jī)

交流感性異步電機(jī)工作原理，繞組會(huì)穿過(guò)定子槽，轉(zhuǎn)子：這是由高導(dǎo)磁薄鋼片堆疊而成，三相電會(huì)通過(guò)繞組，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)，這個(gè)磁場(chǎng)是導(dǎo)致轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的原因。定子的三個(gè)線圈相隔120度間隔連接，載流導(dǎo)線在其周?chē)a(chǎn)生磁場(chǎng)，當(dāng)三相電源應(yīng)用到這種特殊布置時(shí)，在特定時(shí)刻，隨著交流電的變化磁場(chǎng)會(huì)有不同方向的變化，產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)均勻強(qiáng)度的磁場(chǎng)，磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)速度稱為同步速度，假設(shè)在里面放一個(gè)閉合導(dǎo)體，根據(jù)法拉第定律，因?yàn)榇艌?chǎng)是變化的，回路中會(huì)感性到電動(dòng)勢(shì)，電動(dòng)勢(shì)會(huì)在回路中產(chǎn)生電流，這種情況就像位于磁場(chǎng)中的載流回路一樣，在環(huán)上產(chǎn)生電磁力，環(huán)江開(kāi)始旋轉(zhuǎn)。采用類(lèi)似鼠籠的東西，三相交流電通過(guò)定子會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，電流會(huì)在被端環(huán)短路的鼠籠條中感應(yīng)出來(lái)，因此轉(zhuǎn)子開(kāi)始旋轉(zhuǎn)，這就是為什么電機(jī)被稱為感應(yīng)電機(jī)的原因。借助電磁感應(yīng)而不是直接接在轉(zhuǎn)子上感應(yīng)電，絕緣鐵芯薄片填充在轉(zhuǎn)子內(nèi)部，這樣小尺寸的鐵確保渦流損耗最小，

2）交流同步電機(jī)

同步電機(jī)區(qū)別于異步電機(jī)，是他的轉(zhuǎn)子不同。轉(zhuǎn)子上安裝永磁體，安裝方式分為表貼式和嵌入式，轉(zhuǎn)子是由硅鋼片而成，永磁體嵌入。定子也是通入相位120差的交流電，控制正弦波交流電大小和相位，讓定子產(chǎn)生的磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁場(chǎng)是相反的，并且磁場(chǎng)是旋轉(zhuǎn)的，這樣通過(guò)磁鐵異性相吸，帶著轉(zhuǎn)子進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。周而復(fù)始的循環(huán)，通過(guò)定轉(zhuǎn)子相吸產(chǎn)生。

總結(jié)：電動(dòng)車(chē)用電機(jī)驅(qū)動(dòng)目前基本上形成主流，但并不單一而是呈多樣化趨勢(shì)。各電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)綜合指標(biāo)各有側(cè)重。各系統(tǒng)在現(xiàn)有的電動(dòng)車(chē)驅(qū)動(dòng)中都有應(yīng)用。以異步電機(jī)和永磁同步電機(jī)居多，同時(shí)也有嘗試開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)。值得指出的是電機(jī)驅(qū)動(dòng)集電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、數(shù)字技術(shù)、自控技術(shù)以及材料科學(xué)等多門(mén)學(xué)科于一體體現(xiàn)多學(xué)科的綜合應(yīng)用發(fā)展前景十分廣闊，在電動(dòng)車(chē)電機(jī)中是強(qiáng)有力的競(jìng)爭(zhēng)者。各種電機(jī)要想在未來(lái)的電動(dòng)車(chē)中占有一席之地除了要對(duì)電機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化外，還需要控制系統(tǒng)智能化和數(shù)字化方面不斷的探索。

編輯：黃飛

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