纯电动汽车学习入门(七)——驱动电机系统(上)

◆文/北京 李玉茂

一、概述

1.对驱动电机的要求

(1)体积小、重量轻。采用铝合金电机外壳，电机控制器和冷却系统重量轻。

(2)电压高。高电压可以减小电机和导线的尺寸和重量，降低逆变器成本。

(3)转矩特性优良。满足汽车频繁起步、停车、加速、减速、低速大转矩爬坡、高速小转矩恒定功率等行驶工况。

(4)调速范围宽。宽的调速范围能够高速行驶，通常只设一级减速器或者不设减速器(例如特斯拉)。

(5)能量回收。减速和制动时对电池回馈能量，增加电动汽车的行驶里程。

(6)安全性高。电气安全性高、耐高温、耐潮湿、低噪声、低故障率。

2.驱动系统类型

集中驱动系统也称集成集中驱动系统，如图1所示，包括电机、减速器和差速器，有些车型还集成电机控制器。电动乘用车一般将集中驱动系统安装在前机舱，电动大客车、货车将集中驱动系统安装在后桥。

分布驱动系统与集中驱动系统相比，具有结构紧凑、质量小、机件简化、传动效率高等优点，从而提高电动车的动力性，增加续驶里程。该系统省去差速器、半轴，驱动桥的每侧电机分别驱动每侧车轮，在车辆曲线行驶时两侧电机以不同转速工作。四轮驱动车辆每个车轮安装一个电机，但是对4个电机转速要求控制精度高。该系统尽量降低电机质量，轮下质量降低可以获得良好的乘坐舒适性。分布驱动系统有轮边电机、轮毂电机两种类型。

①轮边电机，又分为两种型式，一种是电机轴线与车轮轴线不重合，两个轴线之间是减速齿轮；另一种是电机轴线与车轮轴线重合，采用行星齿轮减速机构。

②轮毂电机，将电机集成在轮毂上，电机轴线与车轮轴线重合，采用内转子的带有减速机构，采用外转子的不带有减速机构。轮毂电机可以改善电机与独立悬架在有限空间内的布置困难问题，与轮边电机相比可降低空气阻力、提高通过性。

3.驱动电机类型

直流电机又分为他励式直流电机、并励式直流电机、串励式直流电机、复励式直流电机。优点是结构简单、技术成熟、控制容易，主要用于电动自行车、老年代步车、电动叉车、低速电动车等。缺点是耗电高、效率低，不适合电动汽车。

永磁同步电机又分为交流永磁同步电机和直流永磁同步电机，电动汽车采用交流永磁同步电机。该电机采用永磁体励磁，不采用线圈励磁，优点是效率高、控制精度高、转矩大和平稳、低噪声。

交流永磁同步电机主要由铝合金外壳、定子组件(硅钢片铁芯、三相线圈，通入三相交流电后产生旋转磁场)、转子组件(转子轴、硅钢片铁芯、永久磁铁)、前端盖、后端盖、温度传感器、旋变传感器、接线盒、安装支架等组成。

转子是励磁组件，又分为两种：①嵌入式永磁铁芯，在转子的硅钢片中镶嵌永久磁铁，硅钢片用来固定磁铁并具有良好导磁性，没有剩磁、电阻大；硅钢片一片片叠集，使得内部环形电流小、产生的热量低；②凸装式永磁铁芯，磁铁高于硅钢片，磁铁两侧没有支撑，在圆周方向固定作用差。

交流异步电机又称作交流感应电机，转子转速低于定子旋转磁场的转速，所以称为异步。优点是结构简单、制造成本低、整体坚固、维修方便，当逆变器损坏时电机不会产生反电动势而出现汽车紧急制动；缺点是重量大、体积大。特斯拉电动汽车采用交流异步电机，该车以高能量密度的18650电池弥补电机重量大的缺点。

交流异步电机主要由铝合金外壳、定子组件(硅钢片铁芯、三相线圈，通入三相交流电后产生旋转磁场)、转子组件(转子轴、硅钢片铁芯、铝条或铜条制成的鼠笼)、前端盖、后端盖等组成。

开关磁阻电机是高性能一体化系统，优点是调速范围宽、制造维护方便；缺点是设计和控制复杂、噪声大，目前采用较少。

开关磁阻电机主要由开关励磁电机、功率转换器、传感器、控制器组成，控制器按顺序给励磁线圈通电，有点像步进电机，不同的是磁力线经过转子凸极铁芯(因为铁芯磁阻小)走最短的路径。

4.驱动电机工作条件

①输入电机控制器的高压电正常；

②电机控制器正常；

③电机控制器与VCU的CAN通信正常；

④旋变传感器信号正常；

⑤电机温度传感器信号正常。

二、驱动电机系统

1.驱动电机系统组成

驱动电机系统由驱动电机、电机控制器、冷却系统组成，如图2所示。

电机控制器与电机集成，可省去两者之间的三相高压交流线束。电机控制器与高压盒、充电机、DC-DC集成称作PEU，可省去相互间的高压直流线束。电机与减速器、差速器集成，称作驱动总成。

VCU(整车控制单元)根据加速踏板位置传感器、制动踏板位置传感器、挡位传感器等信号，通过CAN总线向电机控制器发送命令，实时调节电机的输出转矩和转速，以实现爬行、加速、匀速、减速、能量回收、停车等。

电机控制器对IGBT温度、电机温度、转子位置实时监测，将信息发给VCU，进而控制水泵电机和散热器风扇电机运转。

冷却系统由电动水泵(12V)、水管、膨胀水壶、散热器、散热器风扇、电机控制器中的水管、驱动电机中的水套、冷却液、温度传感器组成，正常冷却液工作温度是30～55℃。

2.驱动电机结构

某型号驱动电机技术参数见表1，外观如图3所示，内部结构如图4所示，主要零件如图5所示。

3.温度传感器

电机控制器采集电机自身运行状态的信息，包括电机温度传感器信号和旋转变压器信号，两者均安装在电机内部。温度传感器如图6所示，作用是检测电机定子绕组的温度，作为水泵和散热器风扇的控制信号，避免电机过热。

温度传感器一般采用正温度系数热敏电阻，该电阻的特点是响应更快和较小的维持电流。某车型电机温度传感器0℃电阻值100Ω，40℃电阻值420Ω，60℃电阻值20kΩ。早期车辆的电机只有一个温度传感器，后期车辆的电机最少在两个位置装有两个温度传感器，测量绕组和定子铁芯温度，避免绕组因温度过高而绝缘损坏，避免永久磁铁因温度过高而退磁。

4.旋转变压器

旋转变压器简称旋变，是一种电磁式传感器，又称同步分解器，功用是测量电机转子位置，经控制单元解码后可以获知电机转速。旋变具有很高的可靠性和足够高的精度，是交流永磁同步电机的首选，而一些电动代步车采用霍尔式传感器。

普通变压器的一次绕组、二次绕组相对固定，变压比是常数；而旋变传感器的一次绕组固定，二次绕组旋转，变压比不是常数。如图7所示，一次绕组称励磁绕组，输入固定频率的正弦交流信号；二次绕组有两个，分别是正弦绕组和余弦绕组，分别与输入电压的相位角度成正弦关系、余弦关系。正弦绕组输出的正弦信号、余弦绕组输出的余弦信号的幅值不断变化，但是与一次绕组输入的正弦信号频率一致。

旋变传感器安装在电机后端盖上，如图8所示，由外壳、定子(线圈)、转子(信号齿圈)、插座组成，绕在定子上的二次绕组实际并不作机械旋转。信号齿圈是导磁体，有5个磁极，随电机轴转动。励磁绕组通入固定频率的正弦交流电后产生磁场，信号齿圈旋转，使得磁场沿圆周旋转，正弦绕组、余弦绕组感应出幅值变化的正弦信号、余弦信号，电机控制器利用这两个信号感知电机转子位置和转速。

旋变插头有6个端子，分别是：励磁绕组R1、励磁绕组R2；正弦绕组S2、正弦绕组S4；余弦绕组S1、余弦绕组S3。某车型正弦绕组、余弦绕组的阻值为60±10Ω，励磁绕组的阻值为30±10Ω。

三、电机控制器

1.功能

(1)控制电机正反转，电机正转车辆前进，电机反转车辆倒车。

(2)控制速度，按照驾驶员指令执行加速、匀速、减速等。

(3)控制爬行，挂D挡或R挡，抬开制动踏板，不踩加速踏板，车辆缓缓行驶。

(4)能量回收，也称动能回馈，此时电动机转变为发电机。

(5)通信功能，通过CAN总线与其他控制单元和网关通信。

(6)故障诊断，当自诊断异常时存储故障码，同时发送给VCU。

(7)保护功能，保护电机控制器、驱动电机、动力电池不超过工作温度极限。

2.组成

某型号电机控制器技术参数见表2，外观如图9所示，上层元器件如图10所示，下层元器件如图11所示，电机控制器主要组件如图12所示。电机控制器分为低压、高压两部分，低压部分包括输入/输出接口电路、控制主板、运算器、存储器、传感器等；高压部分包括IGBT模块、驱动主板、超级电容、放电电阻、直流高压插接器、UVW插接器等。电机控制器壳体内有水道，壳体外有进、出水管接头。散热器下方的出水管连接水泵，水泵将冷却液送入电机控制器，冷却IGBT元件，然后流入电机，再流回散热器上方的回水管。

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