纯电动汽车电机及控制系统技术对比研究

霍汝锋 谭立峰 赖艳

摘要：纯电动汽车的驱动电机是电动车关键的零部件。电动车运行时工况复杂对电机的要求高，需具备调速区域宽广、转速高、效率高、可靠性强、成本低等特点。通过对四种电机的特性、控制系统的对比，分析其相关参数结合现阶段研发方向，得出我国电动汽车电机将向永磁化、数字化、集成化发展。

关键词：电动车电机；控制系统；技术

1引言

纯电动车电机是电力驱动系统中关键的零部件，不同类型电机表现的性能差异比较大，控制方式各有特点。针对主流的四种电机的特性，进行功能分析、数据对比，寻找电动车电机的发展方向。电机是通过将蓄电池的电能（电流）经过功率转化器转化后输送给电动机最终以动能的形式输出，当汽车在减速制动或下坡等工况下将车轮的动能经能量回收系统转化并收集存储在蓄电池中，实现能量循环利用。

2电动汽车对电机的性能要求

一个高效率、高质量、高性价比的电机可以提高电动车的动力性和经济性，因此对电机的性能要求：

（1）功率密度大。可满足在启动、停车、加减速等工况下运行。

（2）电机工作速域宽。电动车驱动的速度、转矩变化范围较大。

（3）成本低廉，维修容易。电机的零件价格低有利于电动汽车的使用推广。

（4）可靠性强，性能稳定。各种恶劣的工作环境下能高效地完成工作。

3电机驱动系统的电机及控制器

电动车电机需要同时具备电动和发电的功能，目前实际应用或科学研发电动机类型有直流电动机、交流三相感应电动机、永磁同步电动机、开关磁阻电动机等。电机的控制系统起到调节电机运行状态的作用，满足在不同工况下的运行要求。

3.1直流电机及其控制系统

直流电机结构简单，成本较低同时具有优秀的电磁转矩控制特性，但缺陷同样明显在机械换向结构时比较容易产生电火花，在多尘和易燃易爆环境使用有安全隐患，此外换向器维护困难，转速较低难以满足电动车高转速的需求。

斩波器是直流电机控制系统的重要组成部件，电动车的各种工况所需转矩的数值不同，输入的电流可驱动直流电机运行，斩波器的作用是控制输入的电流的数值，按照电动车实际的需求进行调整。直流电机用斩波器作为其功率交换器，电力晶体投管调速装置逐渐投入使用。

3.2交流三相感应电机及其控制系统

交流三相感应电机结构形式简单，可靠性强，效率较高，性价比高。功率的范围宽广，可实现12000～15000r/min的转速。在运行过程中其耗电量较大，转子容易发热，相比于直流电机调速方法更为复杂，但其综合性能良好，目前国内的电动车主流电动机是交流三相感应电机。

交流三相感應电机的控制主要采用矢量控制技术，直流电需要逆变装置进行转换才能输送给交流电机。交流电机主要采用直流斩波器加速逆变器和PWM（脉冲宽度调制）逆变器，PWM（脉冲宽度调制）逆变器线路简单，传输能量环节少，效率高。

3.3永磁同步电机及其控制系统

永磁同步电机是利用永磁体建立励磁磁场的同步电动机，其定子产生旋转磁场，转子用永磁材料制成。永磁同步电机既要把蓄电池的电能化为动能进行输出，同时需要把减速、下坡时的动能转化为电能储存到蓄电池中，励磁电流可以实现以上要求。独特的转子磁路结构是永磁同步电机的特征，表面突出式、表面插入式和内置式的结构形式可以作为区分形式。内置式的结构永磁电机适合用作高效率、高性能、高调速的电动车电机，其特点是结构灵活、设计自由度大、运行可靠。

永磁电机的控制系统技术与感应电机技术接近，目的是把电机的低速转矩性能和电机的高速恒功率性能进行优化。控制方式根据电机转速进行匹配，低速时采用矢量控制高速时采用弱磁控制。在25%-120%额定负载区域内可保持较高的效率和功率密度，恒转矩区范围比较宽广，可持续延长到最高转速的55%。永磁驱动电机具有功率密度高、转速范围广、能量转化效率高、性能强、成本适中等特点符合纯电动汽车的性能需求，是后续电动汽车电机发展方向。

3.4开关磁阻电机及其控制系统

开关磁阻电机的定子和转子铁芯由众多硅钢片的组成。转子没有任何绕组，相比其他直流电机和感应电机没有疲劳故障和转速限制等问题，定子结构简单，制造工艺简单成本低。

通过控制相绕组的接通时间、断开时间对应有相应的开启角和关闭角，从而获得相应的转速、转矩需求。开关磁阻在宽转速和转矩范围内运行高效，响应速度快，但转矩波动大，电机噪声大、系统非线性等因素制约了其在电动汽车上的应用。

4结语

通过对四种电机的特性、控制系统的对比，分析其相关参数结合现阶段我国电动汽车研发方向，可以预测到我国电动汽车的发展将以永磁化、效率高、可靠性强、性价比的电机为基础进行发展。由本文表1中的数据可以观察到，永磁电机在横向对比中优势明显，具有高功率、宽转速范围、高可靠性、轻量化等优点，可满足现在我国电动车发展的需求。在此优秀性能基础上控制产品成本、提高产品可靠性将有利于我国电汽车的推动发展。