電動汽車的電氣驅(qū)動技術(shù)及其發(fā)展研究

孫葉寧

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

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(guān)鍵詞：電動汽車;電氣驅(qū)動技術(shù);新能源汽車;動力系統(tǒng)

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(jīng)濟的大力發(fā)展，造成很多不可再生資源日益減少，在發(fā)展的過程中忽視了對環(huán)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(huán)境惡化問題，協(xié)調(diào)處理好人們生命健康以及社會發(fā)展之間的關(guān)系。電動汽車的自身的節(jié)能、環(huán)保的優(yōu)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(huán)境惡化問題。所以，電動汽車不管從能源安全方面、環(huán)境保護方面還是經(jīng)濟發(fā)展方面，都起著重要推動作用。

1 ?電動汽車的發(fā)展及電氣系統(tǒng)的構(gòu)成

1.1 電動汽車發(fā)展核心問題

電動汽車的發(fā)展核心主要是研發(fā)電氣驅(qū)動系統(tǒng)，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(qū)動汽車行駛。其發(fā)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(jīng)濟發(fā)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(chǎn)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(huán)境造成嚴重的污染，破壞生態(tài)環(huán)境平衡，威脅環(huán)境安全和人類健康。然而電動汽車可以很好地減少對環(huán)境的污染，減少汽車尾氣排放量，契合國家綠色環(huán)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(qū)動技術(shù)既是關(guān)鍵技術(shù)又是共性技術(shù)。與普通工業(yè)用電機驅(qū)動系統(tǒng)不同的是，車用電機驅(qū)動系統(tǒng)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(fā)難度[1]。

1.2 電動汽車電氣系統(tǒng)構(gòu)成

1.2.1 電動汽車驅(qū)動電機

早期電動汽車驅(qū)動電機大部分是運用直流電機。電機的結(jié)構(gòu)應(yīng)由定子和轉(zhuǎn)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(chǎn)生磁場，運行時轉(zhuǎn)動的部分稱為轉(zhuǎn)子，其主要作用是產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩和感應(yīng)電動勢，是直流電機進行能量轉(zhuǎn)換的樞紐。無刷直流電機主要由用永磁材料制造的轉(zhuǎn)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(qū)動系統(tǒng)改變輸入電壓或電流可以實現(xiàn)對其轉(zhuǎn)矩的獨立控制，進行平滑調(diào)速，其技術(shù)發(fā)展相對成熟，而且應(yīng)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(zhì)量較大，散熱速度慢，并不能很好地滿足現(xiàn)代電動汽車長遠發(fā)展和實用價值的需求。在當下電力電子技術(shù)、大規(guī)模集成電路和計算機技術(shù)的發(fā)展以及各種新材料的研發(fā)與應(yīng)用，機電一體化的驅(qū)動系統(tǒng)呈現(xiàn)出其優(yōu)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(fā)成本以及開發(fā)程度考慮，如果圍繞電動汽車裝配變速箱，進行專門開發(fā)，還是有很大難度的。因為電動機在任何“轉(zhuǎn)速”下產(chǎn)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(fā)變速箱的一個難點問題，而且其研發(fā)成本也會超出預(yù)期，相比研發(fā)一套“三電”系統(tǒng)的成本還要高出很多。而且機械變速箱的結(jié)構(gòu)，很難匹配電動汽車極為快速、直接的響應(yīng)。所以，很多電動汽車生產(chǎn)商會因多方面原因考慮，很少會專門研發(fā)和裝配變速箱。

1.2.3 功率變換器

在現(xiàn)代電動汽車電驅(qū)動系統(tǒng)中，通過功率變換器將電池儲存的直流電經(jīng)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(xiàn)在局部可變功率設(shè)置、軟啟動或數(shù)字電流調(diào)節(jié)、故障識別和可變相移等;二是強調(diào)效率，對部件負載范圍內(nèi)單個相位關(guān)閉，或是利用變頻選擇優(yōu)化效率;三是溫度把控，利用技術(shù)手段加強對溫度的監(jiān)測，并按照需求進行風(fēng)扇控制，各相位負載依溫度分布。

1.2.4 電子控制系統(tǒng)

從整車控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上看，電動汽車動力系統(tǒng)都有專屬的控制器，控制器是控制系統(tǒng)的核心紐帶，其功能優(yōu)勢方面，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)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(wù)，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(xiàn)控制系統(tǒng)的拓撲分離和功能分離。

2 ?電動汽車電氣驅(qū)動技術(shù)

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

2.1 電機

其中電機是電氣驅(qū)動系統(tǒng)的關(guān)鍵部位，其尺寸、質(zhì)量等性能與電動汽車的整體效率之間存在著直接的聯(lián)系，在實際應(yīng)用過程中，依據(jù)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(nèi)，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(qū)動方式，并且在實際應(yīng)用過程中，依據(jù)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(fù)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(lián)然后與直流電源進行連接，這種情況的出現(xiàn)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(nèi)磁場強弱產(chǎn)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(xiàn)，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(dǎo)線較粗，并且匝數(shù)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(lián)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(shù)較多的細導(dǎo)線，這就導(dǎo)致勵磁繞組的電阻較大，而電流較小。

再次，復(fù)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(nèi)的勵磁電流產(chǎn)生，在實際設(shè)計過程中，復(fù)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(yīng)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(wěn)定性較高，因此，在使用這種電動機構(gòu)成的驅(qū)動系統(tǒng)時，再生制動功能實現(xiàn)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(zhuǎn)矩的要求更容易實現(xiàn)。

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(wěn)定性較高，控制難度較低，因此更容易實現(xiàn)電動汽車對再生制動的需要，但若將永磁激勵應(yīng)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(dǎo)致驅(qū)動電動機輸出的轉(zhuǎn)矩?zé)o法滿足汽車啟動與加速時對轉(zhuǎn)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(fā)現(xiàn)，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(xiàn)使得盡管他勵直流電動機裝置更為復(fù)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(shù)、集成技術(shù)、計算機技術(shù)等高新技術(shù)的不斷發(fā)展，以及各類新材料的不斷出現(xiàn)，電機一體化的交流驅(qū)動系統(tǒng)因有著效率高、工作可靠性強等優(yōu)點，逐漸得到人們的廣泛應(yīng)用。首先，現(xiàn)階段，在電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)中，較為常用的交流電動機主要包括感應(yīng)電動機、永磁同步電動機與開關(guān)磁阻電動機3類。并且當前以感應(yīng)電動機為驅(qū)動電動機的電動汽車數(shù)量較多，以美國通用汽車公司所生產(chǎn)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(yīng)電動機，電動機的功率為42.5kW，轉(zhuǎn)速為6600轉(zhuǎn)/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(xiàn)使得這款電動機有著較為廣闊的發(fā)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(jié)構(gòu)中沒有滑環(huán)、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(guān)磁阻電動機有著結(jié)構(gòu)較為簡單、電流沖擊較小、起動性能較好、效率較高等優(yōu)點，在當前電動汽車的生產(chǎn)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(guān)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(shù)

電力電子技術(shù)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(diào)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(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，斬波器的頻率越來越高，因此在直流牽引調(diào)速過程中，斬波器的應(yīng)用頻率不斷提升。現(xiàn)階段，對于采用直流驅(qū)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(jié)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(jié)合的方式進行DC/AC變換，受能量傳輸環(huán)節(jié)過多的影響，整個電路系統(tǒng)的效率將會大大降低，而PWM電壓型逆變器則不會出現(xiàn)上述問題。在實際應(yīng)用過程中，PWM的發(fā)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(chǎn)生的電流沖擊;其次，為擴大PWM電壓型逆變器的調(diào)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(tǒng)的穩(wěn)定性，可以在PWM電壓型逆變器設(shè)計過程中融入以DPS為核心的計算機控制系統(tǒng)，提升矢量控制運算的可靠性，降低電流沖擊，提升系統(tǒng)的控制效率。

2.3 控制技術(shù)

對于電動汽車來說，控制系統(tǒng)是否可靠與其運行的安全性與穩(wěn)定性之間存在著直接的聯(lián)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(chǎn)生極大地差別?，F(xiàn)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(huán)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(tǒng)能夠?qū)ζ囘\行情況進行有效的控制。現(xiàn)階段，對于高功率電動汽車來說，傳統(tǒng)的PI、PD等線性控制方式已經(jīng)無法滿足其對于系統(tǒng)控制工作的要求，近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展變壓變頻、矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制、變結(jié)構(gòu)控制等控制方式被應(yīng)用到了電動汽車系統(tǒng)控制過程中，并且有效提升了電動汽車系統(tǒng)控制工作的質(zhì)量。此外，在信息化、智能化技術(shù)的發(fā)展背景下，類似模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)等智能控制系統(tǒng)也逐漸被應(yīng)用到了電動汽車的驅(qū)動系統(tǒng)當中，這種情況的出現(xiàn)正在推動電動汽車朝著智能化、現(xiàn)代化的方向發(fā)展。

3 ?電動汽車電氣驅(qū)動技術(shù)未來發(fā)展展望

近年來，隨著人們環(huán)保意識的不斷增強，我國電動汽車的保有量不斷上漲，據(jù)公安部統(tǒng)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(xù)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(jīng)初步建立了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的異步電機系統(tǒng)開發(fā)平臺，能夠滿足小批量電動汽車的研發(fā)、生產(chǎn)、制造與服務(wù)體系要求，大功率的異步電機系統(tǒng)也已經(jīng)被各類電動客車所應(yīng)用，這種情況的出現(xiàn)使得人們更好地認識到了電動汽車產(chǎn)品的可靠性。現(xiàn)階段，為進一步推動電動汽車的穩(wěn)定性，加強對電動汽車電氣驅(qū)動技術(shù)的研究，成為了一項極為必要的工作，從研發(fā)人員的方面來說，為保證電動汽車電氣驅(qū)動技術(shù)的有效發(fā)展，對當前電動汽車電氣驅(qū)動技術(shù)的使用情況進行調(diào)查研究，并且以此為基礎(chǔ)，不斷強化電氣驅(qū)動技術(shù)的能源安全、環(huán)境要求，并且盡可能降低其成本，已經(jīng)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(fā)展不僅僅需要技術(shù)方面的優(yōu)化，還需要國家方面的支持，現(xiàn)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(chǎn)生的環(huán)境污染，政府部門可以通過政策引導(dǎo)的方式，使電動汽車發(fā)展企業(yè)明確自身的發(fā)展目標，切實推動電動汽車行業(yè)的健康發(fā)展。具體來說，在很長一段時間內(nèi)，我國的電動汽車行業(yè)規(guī)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(xiàn)階段，為切實解決上述問題，政府方面可以以市場導(dǎo)向為基礎(chǔ)，加強整車與零部件企業(yè)間的聯(lián)系，推動三位一體方式的發(fā)展，從而達到推動電動汽車產(chǎn)業(yè)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(yè)整體發(fā)展的目的[5]。

4 ?結(jié)語

在當前的社會發(fā)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(tài)承載力間的矛盾越發(fā)突出，現(xiàn)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(shù)、產(chǎn)業(yè)研究人員應(yīng)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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