一、纯电动汽车驱动系统结构和原理
前沿资讯网讯，2018年4月19日讲解，纯电动汽车主要由电力驱动，所以驱动系统是纯电动汽车的核心。驱动系统的作用是将电源的电能转化成机械能，通过传动装置或直接驱动车轮与工作装置。驱动系统主要由电控单元、电动机及电机控制器、机械传动装置和车轮组成。其基本结构如图2-13所示。
——动力传输方向—→电力传输方向
图2-13纯电动汽车驱动系统基本构造
电动汽车驱动系统控制原理如图2-14所示。其工作过程是根据制动踏板和加速踏板输入的信号，由电子控制器发出相应的控制指令来控制电动机。调节电动机和电源之间的功率流。辅助动力供给系统主要给动力转向、空调、制动及其他辅助装置提供动力。
电动汽车驱动系统控制原理如图2~14所示。其工作过程是根据制动踏板和加速踏板输人的信号，由电子控制器发出相应的控制指令来控制电动机，调节电动机和电源之间的功率流。辅助动力供给系统主要给动力转向、空调、制动及其他辅助装置提供动力。
图2-14纯电动汽车驱动系统控制原理示意图
二、纯电动汽车驱动系统的布置形式
早期的纯电动汽车多采用内燃机汽车底盘改装，基本保持了内燃机的传动系统。随着电动汽车技术的发展，纯电动汽车采用新型的集中驱动系统、组合驱动系统、轮边电动机型动系统和轮载电动机驱动系统等，使纯电动汽车的驱动平台向多元化、传动简化方向发展。
各种纯电动汽车的驱动方式见表2-10。
表2“10维电动汽车的几种常见的驱动方式
三、纯电动汽车用电动机
电动机是纯电动汽车驱动系统的核心部件，是唯一的驱动装置。其性能的好坏直接影响纯电动汽车驱动系统的性能，特别是影响纯电动汽车的最高车速、加速性能及爬坡性能等。因此，了解纯电动汽车电动机类型、结构及性能参数等至关重要。因为纯电动汽车用电动机和其他电动汽车用电动机无多大差别，因此以下通称为电动汽车用电动机。
(一)电动机的分类
电动机的分类方法很多，主要有下面几种分类方法：
1.按工作电源分类。根据电动机工作电源不同，可分为直流电动机和交流电动机。其中，直流电动机又分为绕组励磁式直流电动机和水磁式直流电动机;交流电动机分为单相电动机和三相电动机。
2.按结构及工作原理分类。电动机按结构及工作原理可分为直流电动机、异步电动机和同步电动机。直流电动机又分为无刷直流电动机和有刷直流电动机;异步电动机分为感应电动机和交流换向器电动机;同步电动机分为永磁同步电动机、磁阻同步电动机和磁滞同步电动机。
3.按用途分类。电动机按用途可分为驱动用电动机和控制用电动机。
4.按转子的结构分类。电动机按转子的结构可分为笼型感应电动机和绕线转子感应电动机。
5.按运转速度分类。电动机按运转速度可分为高速电动机、低速电动机，恒速电动机、调速电动机。纯电动汽车最早采用的是直流电动机。随着电千技术和自动控制技术的发展以及纯电动汽车技术要求的提高，无剧直流电动机、异步电动机、永磁同步电动机和开关磁阻电动机等显示出比直流电动机更为优越的性能。在纯电动汽车中应用越来越广泛。
(二)纯电动汽车对电动机的要求
电动机的特性是在“基速”范围内先保持恒转短输出，其动力不需要通过变速器的变换就可以在低转速时获得大的转距：当驱动电动机的转速超过“基速“以上时，转换为恒功率范围保持恒功率输出。这是电动机有别于内燃机的特性，如图2-15所示。因此，电动机的特性能满足纯电动汽车的动力输出要求。
由于纯电动汽车在行膜过程中经常频紧地启动停年、加速减速等，这就要求纯电动汽车中的电动机比一般工业应用的电动机性能更高。对电动机的基本要求如下：
1.运行特性要满足纯电动汽车的要求。
在恒转矩区，要求低速运行时具有大转矩，以满足电动汽车启动和爬坡的要求;在恒功率区，要求低转矩时具有高的速度，以满足纯电动汽车在平坦的路面能够高速行驶的要求。
2.应具有瞬时功率大、带负荷启动性能好、过载能力强、加速性能好、使用寿命长等特点。
3.应在整个运行范围内具有很高的效率，以提高一次充电的续驶里程。
4.应能够在汽车减速时实现再生制动，将能量回收并反馈给蓄电池，使得电动汽车具有最佳能量的利用率。
5.可靠性好，能够在较恶劣的环境下长期工作。
6.体积小、重量轻，一般为工业用电动机的1/2～1/3。
7.结构要简单坚固，适合批量生产，便于使用和维护。
8.价格便宜，从而能够减少整体电动汽车的价格，提高性价比。
9.运行时噪声低，减少污染。
四、电动机的主要性能参数
电动机的各种性能指标如下：
1.额定电压U(V)。指电动机在额定条件下运行时，电动机定子绕组应输人的线电压。通常小型直流电动机的额定电压为36-48V，单相交流电动机额定电压为220V，三相交流电动机额定电压为380V，特种电动机的额定电压可达500V。
2.额定电流I(A)。指电动机在额定电压条件下，其输出轴的机械功率为额定功率时，电动机定子绕组通过的线电流。
3.频率f(THz)。指三相电流的频率。我国为50Hz的三相电流，国外多采用60Hz的三相电流。
4.额定转速(r/min)。电动机在指定的斯率(我国为50Hz)时，在额定电压条件下输出轴上输出的机械功率为额定功率时电动机的转速。
根据纯电动汽车速度、动力性能的要求，需要选择不同转速的驱动电动机。一般电动机的转速有以下几种：(①低速电动机，转速为3000-6000r/min;②中速电动机，转速为6000-10000r/min:③高速电动机，转速为10000-15 000r/min.
5.额定功率P.(kW)。指电动机在额定条件运行时其输出轴上输出的机械功率。
P.=U.·I·n式中，U。为额定电压(V);I，为额定电流(A);办为效率(%)。
轿车电动机的额定功率约为30~50kW，客车和货车电动机的额定功率约为50~150kW，ISG电动机的额定功率约为5~l5kW。
6.峰值功率Pm(kw)。指电动机在额定转速条件下运行时，电动机轴上输出的最大机械功率。电动机的峰值功率约为额定功率的2~3倍。
7.机械效率乎。指电动机在最高功率运行时电动机轴上输出的机械功率，与电动机在额定条件下运行时电源输入到电动机定子绕组上的功率之比值(%)。要求电动机高效区(效率大于85%)占电动机整个运行区间的50%以上。
8.温升(℃)。指电动机在运行时允许升高的最高温度。
五、纯电动汽车用电动机结构及原理
日前纯电动汽车上常采用的电动机有直流电动机(DC Motor)、交流电动机(ACIM)、永磁电动机(BDCM)和开关磁阻电动机(SRM)等，功率一般由几十千瓦到一两百千瓦。几种常用电动机的性能比较见表2-11。
(一)直流电动机
1.直流电动机的特点。直流电动机就是将直流电能转换成机械能的电动机，是电动机的主要类型之一。它具有启动加速时驱动力大、结构简单、技术成熟、控制容易等特点，在早期的电动汽车得到应用，特别适用于场地用电动汽车和专用电动汽车，但是直流电动机的电枢电流由电刷和换向器引人，换向时易产生电火花，换向器易烧蚀，电刷易磨损，需经常更换，维护工作量大;接触部分存在磨损，不仅使电动机效率降低，还限制了电动机的工作转速。新研制的纯电动汽车基本不采用直流电动机，但无刷直流电动机是一种高性能的电动机，既有交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等诸多优点，又具备运行效率高、无励磁损耗、运行成本低和调速性能好等特点，因此它在电动汽车上的应用与日俱增。
直流电动机分为绕组励磁式直流电动机和永磁式直流电动机两种。在纯电动汽车所采用的直流电动机中，小功率电动机采用的是永磁式直流电动机，大功率电动机采用的是绕组励磁式直流电动机。
2.直流电动机的基本构造。图216所示的直流电动机由固定部分(定子)和转动部分(转子)两大部分构成，定子部分包括外部的吊环、外壳和机座、端盖、接线板、接线盒，以及装于定子内部的压紧层叠的定子硅钢片组成的主磁极，在定子主磁极上固定定子绕组、换向极、集电刷等。转子部分包括转轴、用冲压出一定形状的槽子的硅钢片叠压制成的转子铁芯和装于转子铁芯上的电枢绕组、端部的换向器和冷却风扇等。在定子与转子之间留有空隙，称为气隙。
3.直流电动机工作原理。简化的直流电动机内固定两个对称的永磁磁极，一个为N极，另一个为S极。在对称的永久磁极之间，装置一个可以转动的线圈，转动线圈的两端分别与两个弧形的换向片连接，换向片分别与电刷A、B接触。
1-冷却风扇：2-机座;3一电枢!4一羊燃极;5-极电刷架;6=换向极;7-接线板;8一出线盒;9一换向极;10-端盖|11-输出轴
外接电源的正极与A电刷连接，负极与B电刷连接，在N极处的线段ab中的电流向内流，按照弗莱明左手定则，线段ab受感应电动势产生的电磁力的作用向左运动。同时，在S极处的线段cd中的电流向外流，线段cd受感应电动势产生的电磁力的作用向右运动。在N、S两个电磁力共同的作用下，线圈abcd产生的电磁转矩，使线圈绕轴线逆时旋转，如图2-17(a)所示。
当线圈旋转180°之后，在N极处的线段cd中的电流向内流，线段ab受感应电动势产生的电磁力的作用向左运动。同时，在S极处的线段ab中的电流向外流，线段ab受感应电势产生的电磁力的作用向右运动。在N、S两个电磁力共同的作用下，线圈dcba产生的电磁转矩，使线圈绕轴线逆时针旋转，如图2=17(b)所示。
直流电通过换向器输入电动机的电枢线圈后，在直流电动机的电枢电流I。与磁通①相互作用下，使N极处产生电磁力与电磁转矩为逆时针方向。电流从N极向S极流动时，电流方向经过一次转变，同样在电枢电流l。与磁通o相互作用下，使S极产生电磁力与电磁转矩也为逆时针方向。由于N极与S极处的电磁力和电磁转矩的方向保持不变，使得电动机的电枢能够连续不断地转动。
直流电动机电磁转矩T是电动机的驱动转矩，它与电动机的机械负荷转矩T2和电动机的空载损耗转矩T。相平衡(T=T,+T。)。当电源电压U不变，电动机机械负荷转矩T。
变化时，电动机的反电动势E、电流L、电磁转矩T和转速n将会自动调整，保持电动机的稳定运转。
(二)交流电动机
1.交流电动机的特点。交流电动机可分为同步电动机和异步电动机。同步电动机转子的转速n与定子旋转磁场的转速，在空间同步旋转，即n一n’。异步电动机转子的转速n与定子旋转磁场的转速n在空间不同步，即n老力。
异步电动机采用变频调速时，可以取消机械变速器，实现无级变速，使传动效率大为提高。另外，异步电动机很容易实现正反转，再生制动能量的回收也更加简单。当采用笼型转子时，异步电动机还具有结构简单、坚固耐用、价格便宜、工作可靠、效率高和免维护等优点，所以异步电动机在纯电动汽车上应用广泛。下面以鼠笼式三相异步感应电动机为例介绍结构和工作原理。
2.三相异步电动机基本构造。鼠笼式三相异步感应电动机由固定部分(定子)和转动部分(转子)组成。定子部分包括吊环、定子外壳和机座、端盖、接线板、接线盒，以及装于定子内部的压紧层叠的硅钢片组成的定子铁芯和定子铁芯上固定的定子绕组。转子部分包括用冲压出一定形状的槽子的硅钢片叠压制成的转子铁芯、在转子的槽中嵌入铜条或铝条的转子导体、两端的环状铜板或铝板、将各个铜条或铝条铸为一体连接成整体的转子，以及支撑转子的转轴、轴承、端环和冷却风扇等。在定子和转子之间留有空隙，称为气隙，共同形成“鼠笼”结构，如图2-18所示。
1一定子铁芯;2一定子外壳;3一转子铁芯;4一转子导体;5一端环;6一冷却风扇;7一机座;8-定子绕组;9-轴承壳：10一轴：11-轴承
3.三相异步电动机工作原理。三相异步感应电动机的定子绕组是一个固定的、对称的三相绕组。当电源的三相对称交流电输入感应电动机的定子绕组时，定子在三相电流通过时应电动机的定子绕组时，定子在三相电流通过时产生旋转磁场，受到旋转磁场产生的“感应”电磁力的作用，在转子绕组中产生感应电动势E和感应电流I，受定子电磁力的作用，使转子绕定子的磁场方向旋转，因此被称为感应电动机。
如果三相异步感应电动机的转子的转速与定子旋转磁场的转速同步时，转子绕组不能切割旋转磁场的磁力线，转子绕组中就不会产生感应电动势和感应电流，也就不会有电磁力来驱动转子转动。因此，只有在两者之间存在差异，即转子的转速，小于定子旋转磁场的转速n。时(n。>n)，才能使转子与旋转磁场产生相对运动。旋转磁场转速与转子转速之间产生转速差，是三相异步感应电动机运行的必要条件，因此被称为异步电动机，如图2-19所示。
②反向旋转磁场。当需要三相异步感应电动机反方向转动时，只需将三相对称交流电源中任意两相对调，三相异步感应电动机即能反向旋转，如图2-21所示。
(2)三相异步感应电动机的定子极数与定子绕组。三相异步感应电动机定子的极数不同时，定子绕组之间的夹角也不同。定子绕组极数力一1时，每相定子绕组上只有一个绕组线圈。当极数p=1时，定子绕组之间的夹角为120°，定子极数p=2时，每相定子绕组上有两个绕组线圈。当p=2时，定子绕组之间的夹角为60”.如此类推，p值增加，产生旋转磁场的极也增加，定子绕组之间的夹角也按一定比例减小。三相异步感应电动机的极数可以有1极、2极、3极、4极、6极等不同极数。
在三相交流异步电动机的实际控制中，是综合控制电动机的磁极对数p、三相电流频率f6、电压U等变化而呈非线性的复杂变化。
(三)永磁电动机
1.永磁电动机的特点。永磁同步电动机结构与无刷直流电动机相似，不同之处在于它采用正弦波驱动，所以在具备无刷直流电动机优点的同时，还具有低噪声、体积小、功率密度大、转动惯量小、脉动转矩小、控制精度高等特点，特别适用于混合动力电动汽车电动机驱动系统，以达到减小系统体积、改善汽车加速性能和行驶平稳性等目的。因此，永磁同步电动机受到了全世界各大汽车生产厂家的重视。
2.永磁同步电动机的基本结构。如图224所示，永磁同步电动机(PMSM)的定子绕组与普通同步电动机的定子绕组一样。永磁同步电动机是用径向内置永久磁铁磁极或混合永久磁铁磁极形成可同步旋转的转子磁极代替其他形式的励式同步电动机的转子励磁绕组。由于其定子产生的旋转磁场与转子产生的磁场共同以同样的频率旋转，因此这种同步电动机称为永磁同步电动机。
3.水磁同步电动机的工作原理。永磁同步电动机实际上是一种凸极式电动机，一般其在定子结构上采用与三相交流电动机相似的三相对称绕组，交流电源通过交一直一交电压型逆变器或直一交电压型逆变器调制为电压可变化的三相正弦波电压，输入永磁同步电动机三相对称绕组后，产生三相对称的三相电流，在正弦波定子电流和正弦波反电动势的作用下，气隙中产生旋转磁场，带动转子跟随旋转磁场同步旋转，如图2-25所示。
(四)开关磁阻电动机
1.开关碰阻电动机的特点。开关碰阻电动机(SRM)是一种新型电动机，也称为可变碰阻电动机(VRM)，它的结构比其他任何一种电动机都要简单、坚固、可靠性好。开关碰阻电动机功率密度高，转矩一转速特性好，有高的启动转矩和低的启动功率，效率可以达到85%93%。转矩、转速在较宽的转速范围内可灵活地控制，调速控制较简单，最高转速可以达到15000r/min。其调速系统运行性能和经济指标比普通的交流调速系统好，被公认是一种极有发展前途的电动汽车驱动电动机。
2.开关磁阻电动机的结构。开关磁阻电动机的定子和转子都是由硅钢片叠片组成的，定子和转子采用“凸极”结构形式。开关磁阻电动机的定子和转子凸极有多种组合方式，定子凸极数量为偶数，转子凸极数量也为偶数，一般比定子凸极少两个，共同组成不同极数的开关磁阻电动机。最常见的三相开关磁阻电动机的定子上有6个凸极，转子上有
4个凸极。四相开关磁阻电动机的定子上有8个凸极，转子上有6个凸极。开关磁阻电动机的结构方案见表2一13。
