电动汽车的电气驱动技术及其发展研究

孙叶宁

摘要：近年来，我国交通业的飞速发展，导致我国能源消耗危机和环境污染问题的加剧，但这也为电动汽车的诞生和汽车产业，以及能源安全和低碳经济的长足发展带来新的增长动力。为此，本文围绕电动汽车的电气驱动系统构成以及电动汽车发展的趋势进行分析，并围绕汽车行业中采用的电驱动技术进行研究，解读电动驱动系统对于新能源汽车动力总成的作用，并分析和比较几种商业化的电驱动系统。

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.

關键词：电动汽车;电气驱动技术;新能源汽车;动力系统

Key words： electric vehicles;electric drive technology;new energy vehicles;power system

中图分类号：U469.72+2                                 文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2022）03-0205-03

0  引言

由于我国经济的大力发展，造成很多不可再生资源日益减少，在发展的过程中忽视了对环境的保护，造成了严重的水污染、大气污染等问题，以此人们需要严肃对待能源消耗危机和环境恶化问题，协调处理好人们生命健康以及社会发展之间的关系。电动汽车的自身的节能、环保的优势，既满足了人们对交通出行的需求，又减缓石油、煤炭等不可再生资源的枯竭与环境恶化问题。所以，电动汽车不管从能源安全方面、环境保护方面还是经济发展方面，都起着重要推动作用。

1  电动汽车的发展及电气系统的构成

1.1 电动汽车发展核心问题

电动汽车的发展核心主要是研发电气驱动系统，以此取代以往运用的燃油作为原料，借助电池作为车载能源来驱动汽车行驶。其发展核心主要可以从三个方面考量：一是电动汽车可以代替燃油汽车，可以满足人们代步的需求，而且其功能作用也符合燃油汽车各项功能、价格指标等，代替燃油汽车满足社会交通和经济发展的需求;二是，燃油汽车使用的燃料资源是有限的，如果大批量生产或者不加限制使用，会造成自然界不可再生资源的枯竭，而且大肆使用自然能源用作汽车燃料，也会对大气环境造成严重的污染，破坏生态环境平衡，威胁环境安全和人类健康。然而电动汽车可以很好地减少对环境的污染，减少汽车尾气排放量，契合国家绿色环保的理念;三是无论燃料电池电动汽车、纯电动汽车还是混合动力电动汽车，电气驱动技术既是关键技术又是共性技术。与普通工业用电机驱动系统不同的是，车用电机驱动系统对性能要求高，需要投入的成本和人力资源都较大，而且具有很大的研发难度[1]。

1.2 电动汽车电气系统构成

1.2.1 电动汽车驱动电机

早期电动汽车驱动电机大部分是运用直流电机。电机的结构应由定子和转子两大部分组成。运行时静止不动的部分称为定子，定子的主要作用是产生磁场，运行时转动的部分称为转子，其主要作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量转换的枢纽。无刷直流电机主要由用永磁材料制造的转子、带有线圈绕组的定子和位置传感器组成。如图1所示。

直流电机驱动系统改变输入电压或电流可以实现对其转矩的独立控制，进行平滑调速，其技术发展相对成熟，而且应用成本低。但是也存在不足之处，直流电机的绝对效率不高，而且其体积和质量较大，散热速度慢，并不能很好地满足现代电动汽车长远发展和实用价值的需求。在当下电力电子技术、大规模集成电路和计算机技术的发展以及各种新材料的研发与应用，机电一体化的驱动系统呈现出其优越性[2]。

1.2.2 变速器

大多电动汽车都很少会安装变速箱，其主要原因并不是因为装配变速箱有很大难度，而且从研发成本以及开发程度考虑，如果围绕电动汽车装配变速箱，进行专门开发，还是有很大难度的。因为电动机在任何“转速”下产生的扭矩都是大的，变速箱不管处于哪一个档位，都会受到较大的扭矩冲击，这是限制电动车开发变速箱的一个难点问题，而且其研发成本也会超出预期，相比研发一套“三电”系统的成本还要高出很多。而且机械变速箱的结构，很难匹配电动汽车极为快速、直接的响应。所以，很多电动汽车生产商会因多方面原因考虑，很少会专门研发和装配变速箱。

1.2.3 功率变换器

在现代电动汽车电驱动系统中，通过功率变换器将电池储存的直流电经电压/频率变换后供给电机和其他交流负载使用。以48V轻混电动汽车为例，其功能需要满足以下要求：一是灵活性，体现在局部可变功率设置、软启动或数字电流调节、故障识别和可变相移等;二是强调效率，对部件负载范围内单个相位关闭，或是利用变频选择优化效率;三是温度把控，利用技术手段加强对温度的监测，并按照需求进行风扇控制，各相位负载依温度分布。

1.2.4 电子控制系统

从整车控制系统结构上看，电动汽车动力系统都有专属的控制器，控制器是控制系统的核心纽带，其功能优势方面，实现了数据信息的交互，进行安全管理，能够在不同能量源之间，完成需求功率分配的任务，并可以接收驾驶员操作信号，还能为分布式分层控制提供了条件。分布式分层控制可以实现控制系统的拓扑分离和功能分离。

2  电动汽车电气驱动技术

对于电动汽车来说，电气启动系统是保证其正常运转的核心部件，主要由电机、电力电子与控制技术共同组成，其主要工作任务在于，在驾驶员的控制下，将蓄电池中的电能，高效地转化为车轮的动能，或者将车轮产生的动能，传输至蓄电池当中。

2.1 电机

其中电机是电气驱动系统的关键部位，其尺寸、质量等性能与电动汽车的整体效率之间存在着直接的联系，在实际应用过程中，依据电流流线的不同，主要可以被分成直流电机与交流电机两种。

2.1.1 直流电机

在过去很长一段时间内，由于直流电的控制难度较低，因此电动汽车大多使用直流变速的驱动方式，并且在实际应用过程中，依据励磁方式的不同，直流电机又可以分成串励直流电机、并励直流电动机、复励直流电动机与他励直流电机。

首先，串励直流电动机是先将励磁绕组与电枢绕组进行串联然后与直流电源进行连接，这种情况的出现使得励磁绕组的电流与电枢绕组相一致，电枢电流的变化将会对电动机内磁场强弱产生影响，在使用这种电动机时，为避免大损耗与大电压压降的出现，需尽可能降低励磁绕组的电阻，这就使得串励直流电动机励磁导线较粗，并且匝数较少。

其次，并励直流电动机主要将励磁绕组与电枢绕组并联后，与电源接通，这种情况使得并励绕组两端电压与电枢两端电压一致，但由于励磁绕组中存在匝数较多的细导线，这就导致励磁绕组的电阻较大，而电流较小。

再次，复励直流电动机中包含串励与并励2个励磁绕组，这就使得电动机的磁通由这两个绕组内的励磁电流产生，在实际设计过程中，复励直流电动机的永磁励磁部分材料主要为高磁性的铷铁硼，这种材料的应用有效提升了电动机的运行效率，并且由于电动机的励磁部分磁场稳定性较高，因此，在使用这种电动机构成的驱动系统时，再生制动功能实现难度较低，并且由于该电动机增加了增磁绕组，这就使得电动汽车在低速或爬坡时对于大转矩的要求更容易实现。

最后，他励直流电动机的励磁绕组与电枢绕组间没有连接，这使得励磁绕组所需要的电力主要由其他直流电源提供，在这种情况下，他励直流电动机的励磁电流并不会受到电枢端电压或电流的影响。同时，由于他励直流电动机在使用过程中，励磁磁场的稳定性较高，控制难度较低，因此更容易实现电动汽车对再生制动的需要，但若将永磁激励应用于他励直流电动机中，尽管电动机的效率将会提高，其体积与重量将会减小，但由于磁场过于固定，这就使得电动机的机械特性下降，进而导致驱动电动机输出的转矩无法满足汽车启动与加速时对转矩的要求。以某款电动大客车为例，对串励直流电机与他励直流电机的再生制动作用进行比对可以发现，串励直流电机的再生制动作用比他励直流电机的小5%，能量消耗大19%，这种情况的出现使得尽管他励直流电动机装置更为复杂，但由于其使用更为便利，因此，当前我国直流电动机汽车所使用的电动机大多为他励直流电动机[3]。

2.1.2 交流电机

近年来，随着电力电子技术、集成技术、计算机技术等高新技术的不断发展，以及各类新材料的不断出现，电机一体化的交流驱动系统因有着效率高、工作可靠性强等优点，逐渐得到人们的广泛应用。首先，现阶段，在电动汽车驱动系统中，较为常用的交流电动机主要包括感应电动机、永磁同步电动机与开关磁阻电动机3类。并且当前以感应电动机为驱动电动机的电动汽车数量较多，以美国通用汽车公司所生产的电动汽车Impact为例，这款汽车主要采用前轮驾驶，并且在每个轮子上都配备了感应电动机，电动机的功率为42.5kW，转速为6600转/min，并且该汽车还配备了MOSFET型的逆变器，为汽车的正常行驶提供了有效的支持。

其次，由于永磁同步电动机能量密度较高，这就使得其在保证较高效率的同时，有着较小的体积，这种情况的出现使得这款电动机有着较为广阔的发展前景。在实际制作过程中，永磁同步电动机主要材料为高磁能稀土，并且其结构中没有滑環、励磁绕组与励磁铜耗，这种情况的存在使得永磁同步电动机的功率与效率都比异步电机大，但由于永磁材料价格较高，因此，这种电动机的使用范围仍比较小。

最后，开关磁阻电动机有着结构较为简单、电流冲击较小、起动性能较好、效率较高等优点，在当前电动汽车的生产制造过程中受到了人们的重视。举例来说，当前英国的Bedford电瓶货车就采用了20kW的开关磁阻电机电动机作为自身的动力源，这款货车在公路上成功运行了482.7km，最高时速可达80.45km/h。

2.2 电力电子技术

电力电子技术主要可分成功率变换器与电力电子器件2部分，其中功率变换器又包括直流电动机的斩波器与交流电动机的逆变器两种。

2.2.1 斩波器

对于直流电动机来说，对其进行调速的主要部件为斩波器，这种器件的功率电路较为简单，并且工作效率也比较高，近年来，随着科学技术的不断发展，斩波器的频率越来越高，因此在直流牵引调速过程中，斩波器的应用频率不断提升。现阶段，对于采用直流驱动的电动汽车来说，无论是哪种励磁方式，斩波器都是较为有效的功率变换器，并且，当前较为常见的斩波器功率电力电子器件主要包括MOSFET、BJT、IGBT等[4]。

2.2.2 逆变器

在DC/AC变换过程中，较为常用的方式包括直流斩波器和逆变器结合、PWM逆变器2种方式，对电动汽车来说，由于电源电压相对较低，若采用直流斩波器和逆变器结合的方式进行DC/AC变换，受能量传输环节过多的影响，整个电路系统的效率将会大大降低，而PWM电压型逆变器则不会出现上述问题。在实际应用过程中，PWM的发展趋势主要有3种，首先，为进一步提高PWM电压型逆变器的工作频率，可以借助IGBT元件，减少低频谐波分量以及电动汽车启动时所产生的电流冲击;其次，为扩大PWM电压型逆变器的调速范围，可以通过提高电机额定频率的方式，满足电动汽车的运行要求，同时，为进一步提高功率比，则可以通过减少电机重量与体积的方式，为电动汽车体积的减小提供加追;最后，为进一步提高电动汽车系统的稳定性，可以在PWM電压型逆变器设计过程中融入以DPS为核心的计算机控制系统，提升矢量控制运算的可靠性，降低电流冲击，提升系统的控制效率。

2.3 控制技术

对于电动汽车来说，控制系统是否可靠与其运行的安全性与稳定性之间存在着直接的联系，即便电动汽车的电机一致，但两者的控制方式不同，那么其输出也会产生极大地差别。现阶段，对于一些功率较小的电动汽车来说，由于其所需性能不高，因此，其控制方式可以选择较为简单的开环控制;但对于一些功率较大，性能要求较高的电动汽车来说，不仅需要保证电动机的性能能够满足汽车的正常使用需要，还需要保证其控制系统能够对汽车运行情况进行有效的控制。现阶段，对于高功率电动汽车来说，传统的PI、PD等线性控制方式已经无法满足其对于系统控制工作的要求，近年来，随着科学技术的不断发展变压变频、矢量控制、直接转矩控制、变结构控制等控制方式被应用到了电动汽车系统控制过程中，并且有效提升了电动汽车系统控制工作的质量。此外，在信息化、智能化技术的发展背景下，类似模糊控制、神经网络、专家系统等智能控制系统也逐渐被应用到了电动汽车的驱动系统当中，这种情况的出现正在推动电动汽车朝着智能化、现代化的方向发展。

3  电动汽车电气驱动技术未来发展展望

近年来，随着人们环保意识的不断增强，我国电动汽车的保有量不断上涨，据公安部统计，截止到2020年年底，我国新能源汽车保有量达到了492万辆，占汽车总保有量的1.75%，其中纯电动汽车保有量达到了4百万辆，占新能源汽车总量的81.32%，并且新能源汽车的年增长量连续3年超过了一百万辆。在上述情况下，为进一步提升电动汽车的可靠性，我国已经初步建立了具有自主知识产权的异步电机系统开发平台，能够满足小批量电动汽车的研发、生产、制造与服务体系要求，大功率的异步电机系统也已经被各类电动客车所应用，这种情况的出现使得人们更好地认识到了电动汽车产品的可靠性。现阶段，为进一步推动电动汽车的稳定性，加强对电动汽车电气驱动技术的研究，成为了一项极为必要的工作，从研发人员的方面来说，为保证电动汽车电气驱动技术的有效发展，对当前电动汽车电气驱动技术的使用情况进行调查研究，并且以此为基础，不断强化电气驱动技术的能源安全、环境要求，并且尽可能降低其成本，已经成为一项极为必要的工作。从国家的角度来说，当前电动汽车的发展不仅仅需要技术方面的优化，还需要国家方面的支持，现阶段，为进一步提升我国电动汽车在汽车市场上的比例，降低汽车所产生的环境污染，政府部门可以通过政策引导的方式，使电动汽车发展企业明确自身的发展目标，切实推动电动汽车行业的健康发展。具体来说，在很长一段时间内，我国的电动汽车行业规模较小，零部件配套体系不够健全，这种情况大大降低了人们对电动汽车的兴趣，现阶段，为切实解决上述问题，政府方面可以以市场导向为基础，加强整车与零部件企业间的联系，推动三位一体方式的发展，从而达到推动电动汽车产业化的进程，同时，政府方面可以通过退税、政策补贴等方式，进一步吸引消费者购买电动汽车，从而达到推动电动汽车行业整体发展的目的[5]。

4  结语

在当前的社会发展过程中，化石能源的存储量日渐短缺，自然资源供给能力与生态承载力间的矛盾越发突出，现阶段，为切实降低对化石能源的消耗量，以电能这种清洁能源为动力的电动汽车受到了人们的广泛欢迎，面对这种巨大的市场需求，电动汽车技术、产业研究人员应通过不断深入研究的方式，进一步提升电动汽车的使用价值。

参考文献：

[1]刘春晖.浅谈电动汽车驱动系统的结构及分类[J].汽车实用技术，2021，46（16）：11-13.

[2]田圣彬，张立刚，门鸣，王昕悦，郭晓星.球团风机电气驱动系统的可靠性研究[J].电气传动，2019，49（11）：103-107.

[3]李利飞，闫瑞杰，李海香.电动汽车电气驱动系统分析[J].南方农机，2019，50（06）：124.

[4]刘芳，易念慈.电动汽车的电气驱动技术及其发展[J].汽车工程师，2018（02）：14-15，24.

[5]崔荣梅.新能源汽车动力系统技术发展战略探讨[J].南方农机，2018，49（03）：159-160.