近年隨著我國交通事業(yè)的飛 速發(fā)展，交通領(lǐng)域成為我國能耗增 長最快的領(lǐng)域。能源危機和環(huán)境污染的加劇阅秀，使電動汽車研發(fā)成為世 界汽車工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略性項目，世界各國也普遍將發(fā)展電動汽 車確立為保障能源安全和轉(zhuǎn)型低碳 經(jīng)濟的重要途徑肤狞。1881 年京拣，第一輛電動汽車由法 國工程師古斯塔夫 . 士維（Gustave Trouve）制造問世，它是采用鉛 酸蓄電池供電杜诲，由 0.1 hp（英制馬 力剧胚，1 hp=745.7 W）的直流電機驅(qū) 動的三輪電動汽車，整車及其駕駛員的重量約 160 kg茵软。兩位英國教授 在1883年制成了相似的電動汽車落六。因當時該應用技術(shù)尚未成熟到足以 與馬車競爭，因此這些早期構(gòu)造并沒有引起公眾很多的注意枷瀑。20 世紀 40 年代之后民氏，半導體 技術(shù)快速發(fā)展，隨后出現(xiàn)的晶閘管常枢、三極管久规，尤其是在20世紀80年代問世的絕緣柵雙極型晶體管 （IGBT）為電機調(diào)速與控制提供 了便利，同時伴以電力電子技術(shù)的快速發(fā)展旗扑，為以電能為能源的電機取代以石油為能源的內(nèi)燃機提供了技術(shù)基礎(chǔ)蹦骑。

一、電動汽車分類 

根據(jù)國標 GB/T 19596-2004 電動汽車術(shù)語臀防，電動汽車可分為由動電動汽車電機驅(qū)動系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)動力電池提供能源的純電動汽車眠菇、電機和內(nèi)燃機共存的混合動力汽車和以燃料電池為能源的燃料電池電動汽車，這三類電動汽車均采用一個 及以上的電機驅(qū)動系統(tǒng)將電能轉(zhuǎn)換為機械能袱衷，進而驅(qū)動汽車捎废，同時回 收剎車的制動能量笑窜，從而實現(xiàn)了能 量利用率的提升。

1. 純電動汽車

純電動汽車由電機驅(qū)動汽車登疗， 能量完全由二次電池（如鉛酸電池排截、 鎳鎬電池、鎳氫電池或鋰離子電池） 提供辐益。由于一次石化能源的日趨匱乏断傲，純電動汽車被認為是汽車工業(yè)的未來。典型的純電動汽車動力結(jié) 構(gòu)如圖 1 所示智政。電池組的電能通過 充電系統(tǒng)在車輛行駛一定里程后進行補充黍鸡。純電動汽車的特點是車輛 實現(xiàn)零排放，不依賴汽油拾拄，完全采用電能驅(qū)動車輛，但是由于蓄電池 的能量密度和功率密度比汽油或柴 油低很多锦售，因此純電動汽車的連續(xù)行駛里程有限莺肘。

圖 1 純電動汽車動力總成結(jié)構(gòu)

2. 混合動力汽車 

混合動力汽車按動力總成結(jié)構(gòu)及能量流傳遞方案不同，可分為串聯(lián)茉蔗、并聯(lián)及混聯(lián)三種混合動力方式峭跺。串聯(lián)混合動力車輛中，發(fā)動機動力與電動機動力通過電氣系統(tǒng)傳遞锚躺；并聯(lián)和混聯(lián)混合動力車輛中新罗， 發(fā)動機動力與電動機動力通過一個專門的機電耦合機構(gòu)實現(xiàn)向車輪的傳遞，常用的機電耦合機構(gòu)包括行星齒輪耦合骄雇、變速器耦合及離合器耦合等训奢。 

串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)的動力總成如圖 2 所示，發(fā)動機的機械能通過發(fā)電機轉(zhuǎn)化為電能瑰侥，電動機將電能轉(zhuǎn)換為機械能傳到驅(qū)動橋饼暑，驅(qū)動橋和發(fā)動機之間沒有直接的機械連接。該方案的優(yōu)點是系統(tǒng)控制簡單洗做，缺點是難以應對復雜路況弓叛，電池充放電壓力較大，電池壽命要求較高诚纸。

圖 2 串聯(lián)式混合動力總成結(jié)構(gòu)

典型的并聯(lián)式混合動力系統(tǒng) 如圖3所示撰筷，電機與發(fā)動機通過齒輪減速機構(gòu)實現(xiàn)動力耦合。

圖 3 并聯(lián)式混合動力總成結(jié)構(gòu)

并聯(lián)混合動力具有三種驅(qū)動模式：發(fā)動機單獨驅(qū)動畦徘，電動機單獨驅(qū)動毕籽，發(fā)動機和電動機混合驅(qū)動。并聯(lián)式混合動力總成具有如下優(yōu)點： 

（1）發(fā)動機和電動機兩個動力總成旧烧，兩者的功率分別可以等于50% ～ 100%車輛驅(qū)動功率影钉，比串聯(lián)混合動力汽車的三個動力總成的功率画髓、質(zhì)量和體積小。

（2）發(fā)動機可直接驅(qū)動車輛平委，能量轉(zhuǎn)換綜合效率比串聯(lián)混合動力汽車高奈虾。車輛需要最大輸出功率時，電動機可以給發(fā)動機提供額外的輔助動力廉赔，因此可配置小功率發(fā)動機以息，燃油經(jīng)濟性比串聯(lián)式混合動力汽車好。 

（3）與電動機配套的動力電池組容量較小祥怖，整車質(zhì)量減輕兴题。但是，并聯(lián)混合動力汽車需要裝配變速器抽胁、離合器噩檬、傳動軸和驅(qū)動橋等結(jié)構(gòu)，還需裝配電動機喜即、動力電池組和動力組合器等裝置肾轨，因此動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜，結(jié)構(gòu)布置和整車控制更困難套芦。

著名的混合動力汽車Pruis采用混連式混合動力總成档徘，耦合器采用行星齒輪結(jié)構(gòu)，發(fā)動機與行星齒輪的行星架相連短材，發(fā)電機連接太陽輪宝各，電動機連接齒圈。通過控制離合器搭独、兩個電機及制動器工作狀態(tài)婴削，可以實現(xiàn)多種工作模式。

圖 4 混連混合動力總成結(jié)構(gòu)

混聯(lián)式混合動力系統(tǒng)與串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)相比牙肝，增加了機械動力的傳遞路線馆蠕，與并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)相比，增加了電能的傳輸路線惊奇』ス混連式混合動 力系統(tǒng)具有如下優(yōu)點：

（1）三個動力總成比串聯(lián)式混合動力三個動力總成的功率、質(zhì)量和體積小颂郎。 

（2）電動機可獨立驅(qū)動車輛行駛吼渡。利用電動機低速大轉(zhuǎn)矩特性，帶動車輛起步乓序，在城市中實現(xiàn)“零污染”行駛寺酪。車輛需最大輸出功率時，電動機可為發(fā)動機提供輔助動力替劈，因此發(fā)動機功率小寄雀，燃油經(jīng)濟性好得滤。

但是混連式混合動力系統(tǒng)需要配備兩套驅(qū)動系統(tǒng)；發(fā)動機傳動系統(tǒng)需要裝配離合器百睹、變速器菊虏、傳動軸和驅(qū)動橋等傳動總成；另外阳框，還有電動機桦材、減速器、動力電池組旦氓，以及多種能源動力（發(fā)動機動力與 電動機動力）組合或協(xié)調(diào)專用裝置炮惕。

3. 燃料電池電動汽車 

燃料電池是一種通過電化學反應的方式將燃料和氧化劑的化學能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，具有高能量轉(zhuǎn)換效率和“零排放”特點汛刻，成為電動汽車的候選電源射贡。燃料電池電動汽車具有系統(tǒng)機構(gòu)簡單，便于系統(tǒng)布置瘾色，有利于整車輕量化的優(yōu)點贩俺。但是由于燃料電池壽命短，系統(tǒng)功率密度低俊势、裝置可靠性難以保證等問題，導致燃料電池電動汽車近年來發(fā)展緩慢绷旗。

圖 5 燃料電池車動力總成結(jié)構(gòu)

二喜鼓、車用電機驅(qū)動系統(tǒng)

車用電機驅(qū)動系統(tǒng)是電動汽車的關(guān)鍵技術(shù)和共性技術(shù)。因為受到車輛空間限制和使用環(huán)境的約束衔肢，車用電機驅(qū)動系統(tǒng)不同于普通的電傳動系統(tǒng)庄岖，它要求具有更高的運行性能、比功率角骤，以及適應更嚴酷的工作環(huán)境等隅忿。為了滿足這些要求，車用電機驅(qū)動系 統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展趨勢基本上可以歸納為電機永磁化邦尊、控制數(shù)字化和系統(tǒng)集成化背桐，電機及其驅(qū)動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖 6 所示。

圖 6 車用電機驅(qū)動系統(tǒng)

1. 高功率密度車用電機控制器

電動汽車中主驅(qū)動電機控制器一般采用典型的三相橋式電壓源 逆變電路蝉揍。其主要部件包括：功率 模塊链峭、直流側(cè)支撐電容和疊層母線排。根據(jù)車輛對控制器的功率等級需求又沾，功率模塊大多采用絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipola Transistor弊仪， IGBT），直流側(cè)支撐電容是控制器中最重要的無源器件巷科，主要作用是吸收功率模塊開關(guān)造成的直流側(cè)脈動電流冠八，穩(wěn)定直流側(cè)輸出電壓電流选曼，從而提高蓄電池使用壽命，其體積和重量對控制器的功率密度有很大影響串题。因此失傍，IGBT 功率模塊和直流側(cè)支撐電容是提高控制器性能和成本控制的關(guān)鍵。

2. 高功率密度車用電機

目前掐腕，電動汽車用電動機主要有異步電機咒祠、永磁電機和開關(guān)磁阻電機。電動車輛的驅(qū)動電機屬于特種電機捺再，是電動汽車的關(guān)鍵部件萌琉。要使電動汽車有良好的使用性能，驅(qū)動電機應具有較寬的調(diào)速范圍及較高的轉(zhuǎn)速糜隶，足夠大的啟動扭矩咧饭，體積小、質(zhì)量輕会激、效率高且有動態(tài)制動強和能量回饋的性能栏渺。目前電動汽車所采用的電動機中，直流電動機基本上已被異步電動機锐涯、永磁同步電機或開關(guān)磁阻電機所取代磕诊。由于永磁同步電機具有結(jié)構(gòu)緊湊、 效率高纹腌、功率密度高的優(yōu)勢霎终，近年來廣泛用于電動汽車應用。為了進一步滿足車輛應用的特殊需求升薯，混合勵磁電機莱褒、盤式電機等新型特種電機也應用于車用領(lǐng)域。電動汽車所用的電機正在向大功率涎劈、高轉(zhuǎn)速广凸、 高效率和小型化方向發(fā)展。

（1）永磁同步電機 

電機是以磁場為媒介進行電能和機械能相互轉(zhuǎn)換的電磁裝置蛛枚， 在電動汽車中起到了將電池中的電 能裝換為驅(qū)動車輛的機械能谅海，或?qū)⑵囆柚苿訒r多余的機械能轉(zhuǎn)換為電能存儲在電池中。為了在電機內(nèi)建立進行電能轉(zhuǎn)換所必需的氣隙磁場蹦浦，可以采用電機內(nèi)繞組通以電流來產(chǎn)磁場胁赢，另一種是由永磁體產(chǎn)生磁場。由于稀土鈷永磁體和釹鐵硼永磁體都是高剩磁投篇、高矯頑力欠杀、高磁能積永磁體，用于制造永磁電機可以獲得較強的氣隙磁場爸备，減小了電機體積讯策，質(zhì)量輕哺里，損耗小，效率高购烹， 電機的形狀和尺寸靈活多樣骄鸽，適合于車用電機高功率密度的需求。典型的車用永磁電機結(jié)構(gòu)如圖 7 所 示底教，該電機為豐田普銳斯（Pruis） 所用的驅(qū)動電機铅粉。

圖 7 普銳斯驅(qū)動電機

永磁同步電機在運行過程中定子繞組通以三相對稱電流，在電機氣隙中建立與電機轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)磁場扑澜，通過控制算法調(diào)節(jié)電流的相位與頻率蓄盘，實現(xiàn)電機在全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的穩(wěn)定運行。

（2）混合勵磁電機 

永磁電機的永磁磁鏈無法調(diào)節(jié)的缺點鹿响，在恒定供電電壓下帶來了弱磁控制問題：車輛動力性能要求電機系統(tǒng)在高轉(zhuǎn)速下需要較寬的恒功率調(diào)速范圍保證車輛的高速性能羡微。由于受到電池電壓的限制，目前大部分永磁電機系統(tǒng)采用增加定子繞組去磁電流的方法抵消永磁磁場惶我，從而達到恒定供電電壓下弱磁 調(diào)速的目的妈倔。但這種方法降低了系統(tǒng)效率和功率因數(shù)，增加了控制器成本绸贡，同時還存在深度弱磁控制時穩(wěn)定性差和高速失控時的電壓安全問題盯蝴。混合勵磁電機是解決以上問題的可行技術(shù)听怕。

混合勵磁電機在永磁電機與電勵磁電機的基礎(chǔ)上演變而來捧挺，通過在永磁電機中引入電勵磁繞組使電機獲得勵磁可控的性能，電機更適合于寬速度范圍叉跛、高弱磁比的應用場合，彌補了單一勵磁方式的不足蒸殿。中國科學院電工研究所以旁路式混合勵磁電機為研究對象筷厘，在電機結(jié)構(gòu)、電機參數(shù)特性宏所、電機數(shù)學 模型及勵磁電流規(guī)劃等方面進行了深入的研究土汽。旁路式混合勵磁電機工作原理如圖 8 所示，為最大程度繼承永磁電機高效穴示、高功率密度的優(yōu)點奥挑，電機勵磁主要由永磁磁勢提供，電勵磁磁勢主要用與增強或削弱主磁路磁通爽步，通過調(diào)節(jié)電勵磁電流的大小實現(xiàn)電勵磁助磁與弱磁功能声锤。

混合勵磁電機具有助磁和弱磁兩個工況：（1）助磁工況：N極側(cè)的電勵磁磁力線從電勵磁端蓋通過軸向氣隙進入電機轉(zhuǎn)子 N 極， 與永磁體磁力線一同通過主氣隙與電樞繞組交鏈沪峰，一部分磁力線通過端蓋閉合衙文，另一部分磁力線通過電機軛部與主氣隙進入轉(zhuǎn)子 S 極辩芦，通 過 S 極側(cè)軸向氣隙進入電勵磁旁路閉合。

（2）弱磁工況：電勵磁弱磁通過勵磁電流反向?qū)崿F(xiàn)浆菇，反向的電勵磁磁勢與永磁體磁勢建立與助磁工況下電勵磁旁路中相反的磁力線方向遥加，部分永磁體磁力線不經(jīng)過主氣隙與電樞繞組交鏈，實現(xiàn)電機弱磁運行竣伍。

綜合來看观复，與傳統(tǒng)無刷永磁電機相比，旁路式混合勵磁電機具有顯著優(yōu)點：如低速時增大勵磁以提高輸出轉(zhuǎn)矩页畦；高速運行時減小或反向勵磁從而拓寬電機的恒功率弱磁區(qū)胖替；降低電機在高速運行下的鐵損，提高效率寇漫；動態(tài)調(diào)節(jié)勵磁電流大小刊殉，提高負載變化時發(fā)電電壓動態(tài)性能；減小電樞反應弱磁磁勢州胳， 降低永磁體高溫運行時的失磁風險等记焊。混合勵磁是未來車用永磁電機的一個重要發(fā)展趨勢栓撞。

3. 車用電機控制技術(shù) 

針對電機控制系統(tǒng)強非線性遍膜、參數(shù)變化，以及汽車對電機系統(tǒng)高速和寬調(diào)速范圍的一些需求瓤湘，中科 院電工所重點圍繞高性能電機驅(qū)動系統(tǒng)適用于車用工況的安全可靠與高效節(jié)能運行控制的技術(shù)難點瓢颅，提出了死區(qū)補償技術(shù)，解決了純電動汽車低速輕載工況的低速脈動問題弛说；提出了基于單調(diào)節(jié)器的深度弱 磁控制方法和解耦控制技術(shù)挽懦，解決了電動汽車電機驅(qū)動系統(tǒng)高速運動控制和高速發(fā)電控制難題。

隨著純電動汽車的發(fā)展舷到，對電機的恒功率弱磁特性要求越來越高这旋，人們希望電機的輸出特性能夠完全覆蓋汽車的驅(qū)動特性，從而省去變速機構(gòu)夹卒，節(jié)省空間體積和成本忌舔。因此，弱磁控制成為車用電機控制的重要研究方向之一秆刑。而經(jīng)中科院電工所研究發(fā)現(xiàn)同肆，目前常用的雙電流環(huán)弱磁控制中，存在發(fā)生不可逆的失控可能唧谊，造成嚴重的系統(tǒng)故障和安全隱患末尤。電工所致力于弱磁控制多年，提出了性能可靠、全局受控的弱磁控制策略组伐，經(jīng)試驗驗證恒功率區(qū)可達1:6捍睡，完全滿足車用需求。

三硕帖、總結(jié)

我國在傳統(tǒng)內(nèi)燃機車輛方面較國外存在一定差距唧取，但是電動汽車正處在起步階段，我國在電機驅(qū)動領(lǐng)域積累了豐富的經(jīng)驗和扎實的理論划提，近年來也在電動汽車關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)方面投入較大枫弟，培育了大批的研發(fā)機構(gòu)和生產(chǎn)企業(yè)，雖然目前的發(fā)展中存在困難和曲折鹏往，但是并沒有改變政府和產(chǎn)業(yè)界發(fā)展電動汽車的決心淡诗。雖然傳統(tǒng)內(nèi)燃機車輛還占據(jù)目前車輛市場的絕對主導，但是發(fā)展清潔的電動汽車在能源伊履、環(huán)境和技術(shù)方面都是大勢所趨韩容。伴隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，電動汽車將會迎來進入尋常百姓家的一天唐瀑。

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