電動汽車驅動系統(tǒng)的研究現狀與發(fā)展趨勢

溫傳新，王培欣，花 為

(1.國電南瑞科技股份有限公司，南京 210032；2.東南大學 電氣工程學院，南京 210018)

0 引 言

第二次工業(yè)革命中發(fā)明的燃油汽車，加快了社會中人員、物資、信息等的流動，提高效率，節(jié)約時間，促進社會的快速發(fā)展，具有里程碑式意義。汽車帶給人類便利的同時，消耗了大量的不可再生自然能源，汽車尾氣的排放又加劇環(huán)境污染。所以在全球倡導節(jié)能減排、保護環(huán)境的浪潮中，大力發(fā)展和推廣應用電動汽車代替?zhèn)鹘y(tǒng)燃油汽車，對減緩環(huán)境污染，節(jié)約自然能源，實現社會可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[1]。

目前，為保證能源安全、治理汽車尾氣污染、保護環(huán)境，全球各國政府都在積極參與新能源汽車的發(fā)展，并出臺相關的政策與法規(guī)，鼓勵新能源汽車的研究與大規(guī)模應用。英國、法國、美國加州等國家和地區(qū)相繼公布了停售傳統(tǒng)燃油汽車的時間，在國際社會大力發(fā)展新能源汽車的背景下，我國將于2035年全面禁止發(fā)售燃油汽車。也就是說，至二十一世紀中葉，燃油汽車將在全球大部分國家停止銷售，汽車產業(yè)將進入新能源汽車時代。迄今為止，全球汽車制造商已經推出了多種民用電動汽車產品，其中專注于電動汽車技術研發(fā)的代表有美國特斯拉(Tesla)、中國蔚來(NIO)以及正在研發(fā)中的法拉第未來(Faraday Future)，而傳統(tǒng)汽車制造商也相繼向電動汽車方向轉型，代表有國產比亞迪(BYD)、日本豐田(TOYOTA)、德國寶馬(BMW)等。所以，電動汽車將會進入高速發(fā)展的時代。

電動汽車是集機車技術、驅動控制技術、電機及計算機技術、電化學技術以及能源與新材料技術于一體的高新技術、高度集成的工業(yè)化產品，具有無污染、低噪聲、效率高等特點[2]。本文通過查閱近年來電動汽車產業(yè)有關文獻，從電動汽車結構、驅動電機以及驅動技術等角度總結了電動汽車的發(fā)展現狀，討論了電動汽車驅動技術存在的問題和解決策略，并對電動汽車驅動技術的發(fā)展進行了展望。

1 電動汽車的發(fā)展

事實上，世界上第一輛電動車的發(fā)明于1834年，比世界上第一輛燃油汽車的發(fā)明(1886年)早半個世紀。早期的電動汽車采用干電池作為電源，直流電動機作為驅動電機，其實用性不高。隨著可充放電的二次電池的發(fā)明，電動汽車的實用性得到大大提高，并成為19世紀下半葉重要的交通運輸產品。

圖1 十八世紀的電動汽車

但是，當時由于交流電機尚未出現，電池技術、電力電子技術、電機加工技術、控制調速理論等技術的落后與不完備，限制了電動汽車的發(fā)展。此外，隨著石油的大量開采以及內燃機技術的迅速發(fā)展，燃油汽車以壓倒性優(yōu)勢強勢崛起，成為近現代主要的交通工具。

二十世紀后半葉，隨著交流電機的出現以及電機理論的完善，功率電子器件與整流逆變技術的發(fā)展，電機控制理論與交流調速技術的不斷進步，電動汽車的缺點比如續(xù)航里程低、速度低等得到改善，電動汽車重新進入大眾的視野。特別是二十一世紀以來，隨著全球環(huán)保意識的不斷增強，電動汽車技術得到廣泛的關注，電動汽車技術不斷完備，在全球汽車領域所占的份額越來越大。

2 電動汽車電驅系統(tǒng)

電動汽車中，“電池、電機、電控”是其三大關鍵技術，其中電池技術相對獨立，電機與電控結合比較緊密[2]。電動汽車電機及其驅動控制系統(tǒng)(簡稱電驅系統(tǒng))的技術水平直接影響著電動汽車的整車性能，是衡量電動汽車質量的重要指標之一。就電動汽車動力總成系統(tǒng)而言，現有的電動汽車驅動方式主要有集中式驅動和分布式驅動兩種。

2.1 集中式驅動

電動汽車集中式驅動系統(tǒng)就是采用高功率密度的驅動電機取代傳統(tǒng)汽車的燃油發(fā)動機，同時保留大部分傳統(tǒng)汽車原有的整套機械傳動、制動系統(tǒng)。集中式電驅系統(tǒng)的電動汽車結構如圖2所示。該類集中式電驅系統(tǒng)在動力結構上繼承了傳統(tǒng)汽車的變速箱、差速器以及傳動軸等機械部件，對整車動力系統(tǒng)布局改動較少，控制技術相對成熟，是現階段電動汽車的主流驅動模式。集中式驅動系統(tǒng)采用的驅動電機為傳統(tǒng)內轉子電機[3-5]，比如豐田普銳斯[6-7]所采用的驅動電機轉子為V型內置式永磁體結構，如圖3所示。

圖2 集中式電驅系統(tǒng)結構

圖3 豐田電動汽車驅動電機

2.2 分布式驅動

電動汽車分布式電驅系統(tǒng)的顯著結構特點是將多個驅動電機直接安裝在車輪側，并將驅動、傳動、制動裝置都整合在一起，省去了離合器、變速器、差速器等機械傳動總成，能顯著減小車輛簧載質量、縮短機械傳遞鏈和提高傳動效率，同時大大簡化電動汽車底盤結構[8-9]。分布式電驅系統(tǒng)又分為輪轂電機驅動與輪邊電機驅動兩種。輪轂電機驅動是將動力、傳動和制動裝置都整合到輪轂內，使電動車輛的機械部分大大簡化[10]。而輪邊電機驅動是將驅動電機裝在車輪內側通過傳動軸單獨驅動該車輪，而不是集成在車輪內。輪轂電機驅動系統(tǒng)一般采用外轉子驅動電機(圖4)，輪邊電機驅動系統(tǒng)采用與集中式驅動相同的內轉子驅動電機，但其功率要比集中式驅動小得多。分布式驅動系統(tǒng)結構如圖5所示。采用分布式驅動系統(tǒng)的電動汽車可以根據不同的驅動要求，靈活采用“前輪驅動”、“后輪驅動”以及“四輪獨立驅動”等多種模式，還可以通過左右車輪的不同轉速或反轉實現類似履帶式車輛的差動轉向，對于特種車輛具有較高的應用價值。

圖4 輪轂電機拓撲結構

圖5 分布式電驅系統(tǒng)結構

3 電動汽車驅動電機

3.1 電動汽車驅動電機分類

電機是電動汽車電驅系統(tǒng)的關鍵核心部件，其性能的優(yōu)劣，是衡量電動汽車是否具備優(yōu)良動力性能的關鍵因素之一。根據電動汽車駕駛性能包括加速性能、最大車速、爬坡能力等的要求，以及車輛性能(車重、載重等)和車載能源系統(tǒng)的約束，電動汽車用驅動電機與工業(yè)電動機有明顯區(qū)別，通常要求電動汽車驅動電機具有較高的過載能力以滿足短時間加速和爬坡需求；高效率和高功率密度以降低車重，延長續(xù)航里程；可控性高、穩(wěn)態(tài)精度高和動態(tài)性能好以滿足汽車的協(xié)調運行。目前電動汽車采用的驅動電有直流電動機、PM無刷直流電動機、開關磁阻電動機、交流感應電動機、永磁同步電動機等[16]，如圖6所示。電動汽車電機及其應用車型如表1所示。

表1 電動汽車用電機分類

直流電動機控制簡單，通常采用他勵直流電動機和串勵直流電動機，早期的電動汽車普遍采用此類電動機。但是直流電動機可靠性低、設備維護困難，隨著交流電機的開發(fā)和調速技術的發(fā)展，電動汽車用直流電動機逐漸被性能更加優(yōu)越的開關磁阻電動機、交流感應電動機和永磁同步電動機取代。

開關磁阻電動機定子與轉子皆有普通硅鋼片疊壓而成的雙凸極結構，具有結構簡單、成本低、可靠、起動性能好(無過大的沖擊電流)、同時具備交流感應電動機變頻調速和直流電動機調速的優(yōu)點[11-13]。但是開關磁阻電機磁極端部有比較嚴重的磁飽和以及磁極和溝槽的邊緣效應，轉矩波動大且經常引起噪聲問題。

圖6 電動汽車驅動電機主要結構

交流感應電機主要有三種轉子結構：實心轉子、繞線轉子和鼠籠(一般為銅或鋁)轉子。實心轉子感應電機主要應用于起重設備等場合，機械特性并不適用于電動汽車驅動系統(tǒng)。繞線轉子感應電機成本相對較高、維護量大、缺乏堅固性，所以也不適用于電動汽車。鼠籠轉子感應電機(主要指銅籠)憑借其成本低、堅固可靠、效率相對較高等優(yōu)點成為電動汽車驅動電機的一種選擇[12]。比如，Tesla前置驅動電機就是采用的銅心鼠籠感應電機，其轉子結構如圖7所示。

圖7 銅心鼠籠轉子

永磁同步電機采用永磁體勵磁，具有高功率密度、起動轉矩大、電流小、調速性能好和效率高等優(yōu)點[14-15]。對于降低家用汽車量(輕量化)，提高車輛續(xù)航里程來講，永磁同步電機高起動轉矩和效率具有很大的優(yōu)勢，如今已成為電動汽車驅動電機的主流選擇。然而，永磁同步電機成本較高，高溫下永磁體存在退磁風險。

目前，常用電動汽車驅動電機性能如表2所示。

3.2 電動汽車驅動電機結構

3.2.1 永磁同步電機

永磁同步電機具有高功率密度、效率高等優(yōu)點，有助于降低電動汽車整車質量，提高續(xù)航里程、增加汽車內部空間等，是目前電動汽車驅動電機的研究熱點。典型的永磁同步電機結構包括表貼式、插入式、徑向內嵌式和切向內嵌式四種[17]，如圖8所示。但電動汽車特殊的運行環(huán)境和條件，要求驅動電機即能在低速運行時有較大轉矩輸出，高速運行時有較大的輸出功率，表貼式、插入式和切向內嵌式永磁電機轉子難以滿足電機高速運行時結構強度要求，所以電動汽車永磁同步驅動電機多采用徑向內嵌式永磁同步電機。比如寶馬i3(圖9)、豐田puris等電動汽車永磁同步驅動電機均采用的是徑向內嵌式永磁同步電機。

圖8 典型轉子永磁型電機結構

圖9 寶馬i3驅動電機結構

文獻[18]中，作者研究了內置式永磁電機四種不同轉子永磁體布置結構對定子鐵心損耗的影響，發(fā)現通過增加轉子永磁體層數可以降低轉子磁動勢諧波以減少定子鐵心損耗。通過增加第一層永磁體深度和不同層永磁體之間的距離可以增加承載電樞反應磁通的硅鋼材料面積，從而降低永磁體渦流損耗[19]。通過過設置不同形狀的磁極以及多種形狀刺激的組合，比如△+U型永磁體轉子(圖10)，可以降低諧波含量，減小鐵耗，提高電機效率[19]。

圖10 轉子永磁體損耗密度

文獻[20]提出一種新穎的轉子永磁型同步電機(圖11a)，其轉子上永磁體具有相同的充磁方向，如圖11所示。該電機的運行原理類似于磁通切換電機，但是相比于傳統(tǒng)的磁通切換電機，該電機具有較小的齒槽轉矩、較高的弱磁能力等優(yōu)點[21-23]。文獻[24-27]提出用于電動汽車輪轂電機的外轉子電機(圖11b)，進一步拓寬了該類電機在電動汽車驅動系統(tǒng)的應用。

圖11 轉子永磁型磁通切換電機

3.2.2 新型永磁電機

傳統(tǒng)永磁電機電樞磁場與永磁磁場相互耦合較大，永磁體退磁風險較高；永磁體位于轉子側，高速運行需要考慮轉子導磁橋的機械強度；分布式繞組端部較長，增加銅耗且使電機軸向長度大，電機體積較大[28]，一定程度上限制了永磁同步電機在電動汽車領域的應用。而定子永磁型同步電機因為其轉子結構簡單，機械強度高，適合高速運行；空載感應電動勢正弦度高，電樞磁場與永磁磁場并聯(lián)，電樞反應較小；采用集中繞組，端部長度小，有助于減小電機體積等優(yōu)點，得到廣泛的關注[29-31]。

定子永磁型同步電機包括雙突極永磁電機(DSPM)、磁通反向永磁電機(FRPM)和磁通切換永磁電機(FSPM)三種，如圖12所示。不同于傳統(tǒng)永磁電機永磁體置于轉子側，轉子散熱能力差，易導致永磁體退磁，定子永磁型同步電機永磁體和電樞繞組均置于定子側，易于對永磁體和繞組進行直接冷卻，所以適合于電動汽車領域。除了上述三種基本結構的定子永磁型同步電機之外，定子電勵磁以及定子混合勵磁同步電機也得到學者的關注，并對其應用于電動汽車進行了探索[32-33]。

圖12 定子永磁型電機結構

3.3 電動汽車控制技術

電動汽車運行環(huán)境復雜，所以對其驅動系統(tǒng)要求較高，比如起動和爬坡時要求低速高轉矩，巡航要求高速低轉矩，車輛超車時具有瞬時超負載能力。傳統(tǒng)的線性控制，如PID，不能滿足高性能電機驅動的苛刻要求。近幾年，出現了許多先進的控制策略，適用于電動汽車驅動電機的控制策略的發(fā)展，包括自適應控制、變結構控制、模糊控制和神經網絡控制等。

自適應控制包括自調節(jié)控制和模型參考自適應控制，相比于傳統(tǒng)的PID等控制方式，具有無需調制器、動態(tài)響應快、非線性控制等優(yōu)點[34-35]。根據被控對象的數學模型來預測未來系統(tǒng)狀態(tài)的變化，并對每個預測狀態(tài)進行評估，選出能使代價函數取最小值的控制動作作為控制器的下一個輸出。

變結構控制通過系統(tǒng)提供不敏感的參數特性，規(guī)定動態(tài)誤差并簡化所執(zhí)行的操作。通過一系列的開關控制原理，系統(tǒng)在預先設定的軌道相平面內運行，而不管系統(tǒng)參數的變化，具有魯棒性好、可靠性高等特點。

模糊控制和神經網絡等新技術也被引入驅動電機控制領域。模糊控制實質上是一種語言過程，它基于人類行為所使用的先前經驗和試探法則[36]。利用神經網絡控制策略，控制器有可能解釋系統(tǒng)的動態(tài)行為，然后自學并相應地進行自我調整。此外，先進的控制策略還能結合其他控制策略形成新的控制模式，比如自適應模糊控制、模糊神經網絡控制、模糊變結構控制等。

4 電動汽車驅動系統(tǒng)現存問題與策略

雖然電動汽車驅動技術近年來得到高速的發(fā)展，到目前為止，其驅動技術依然存在著許多亟待解決的問題。

4.1 永磁體退磁

永磁同步電機永磁體的熱退磁問題一直是永磁電機研發(fā)過程中的熱點和難點。特別是電動汽車用永磁同步電機，因為其驅動系統(tǒng)結構緊湊，速度快，電機發(fā)熱較高，極易引起轉子永磁體退磁。

文獻[37]提出除通過對永磁電機轉子結構進行優(yōu)化的方法來預防退磁；文獻[38]對“一”字型“V”字型、雙層永磁體三種不同布置方案的永磁體退磁現象就行了比較，結果表明雙層永磁體布置結構的永磁同步電機具有較高的抗退磁能力；文獻[39]對永磁同步電機驅動系統(tǒng)提出一種優(yōu)化控制策略，該方法通過識別最佳的弱磁電流來調整銅損和鐵損，使永磁同步電機在整個工作范圍內降低損耗。

對于永磁電機退磁問題的主要策略有：①考慮永磁體退磁對永磁同步電機轉子結構做進一步優(yōu)化。②采用抗退磁能力更強的永磁同步電機轉子永磁體布置結構，提高永磁同步電機抗退磁能力。③研發(fā)更高性能的新型永磁體材料，提高永磁體抗熱退磁能力。

4.2 驅動電機溫升問題

由于電動汽車驅動電機運行工況復雜多變，驅動電機極易出現冷卻和散熱不足導致電機溫升過高，從而影響整車性能。

電動汽車驅動電機采用水冷結構，水冷系統(tǒng)的水路結構對電機散熱有較大影響，文獻[40]對比“Z”字型和周向螺旋形水路的散熱能力，結果表明“Z”字型水路有更強的散熱能力。S.C.Kim[41]等采用在空氣冷卻結構殼體表面開設冷卻槽的方法，使輪轂電機散熱面積變大，冷卻效果有所提升。

針對電動汽車溫升的主要解決方案有：①設計更加合理的電機結構，降低電機熱損耗，從而降低電機發(fā)熱。②設計更加合理的水道結構，增加電機散熱能力，降低電機溫度。③采用更加合理的冷卻模式，比如水冷與風冷相結合的方案等。

5 結語和發(fā)展趨勢

本文敘述了電動汽車的發(fā)展、電動汽車驅動系統(tǒng)結構、驅動電機的特點與選型以及驅動控制方法，重點分析了電動汽車永磁同步驅動電機的新型結構與特點?？傮w而言，經過近年來的研究與技術發(fā)展，電動汽車驅動技術基本滿足現今電動汽車驅動的基本技術指標。而且隨著未來電動汽車技術的提升，成本的不斷降低，環(huán)保高效的電動汽車取代傳統(tǒng)燃油汽車是大勢所趨，發(fā)展前景廣闊。

但是，電動汽車作為一種新興事物，其驅動系統(tǒng)仍有許多問題和關鍵技術有待更加深入的研究：

(1)高功率密度、高效率永磁同步電機技術。電動汽車用高功率密度、高效率永磁同步電機有助于降低整車質量，提高續(xù)航里程，對于電動汽車驅動系統(tǒng)來講具有重要意義。如何生產更高功率密度、高效率的永磁同步電機，這不僅僅是電機拓撲結構設計的問題，更涉及到電機磁性材料、加工工藝等先進技術，例如開發(fā)更低損耗硅鋼、高性能磁鋼等磁材料以及成型繞組、磁鋼定位封裝等先進加工技術。

(2)集成化、智能化和數字化。集成化可以有效的降低驅動系統(tǒng)體積，這對電動汽車有限空間來講非常重要。其次，隨著人工智能等技術的發(fā)展，智能化、數字化電動汽車驅動系統(tǒng)將會得到進一步的發(fā)展，比如無人駕駛，智能控制等。