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电动汽车电动机系统介绍与故障解析（上） 文广东郭栋辽宁李洪友 郭栋 本刊编委会委员、“新能源汽车”栏目主专家 深圳市派司德科技有限公司董事长；广东省电动汽车标准委员会专家；博世汽车服务公司新能源汽车教学项目顾问；深圳职业技术学院客座教授。参与国内几款主要电动汽车控制策略的设计；参加了深圳电动汽车维修专项技能认证标准的开发；参与了电动汽车修理厂技术标准、营运电动汽车维修和保养技术规范、营运电动汽车技术性能检测标准的制定。为电动汽车生产企业提供生产工艺设计咨询，同时还主持了电动汽车车载诊断系统设计项目。 动力总成是汽车最基础的系统，传统汽车的发动机按照自身规律把燃料的化学能转化为机械能，再通过曲轴连杆把直线运动转化为旋转运动，由离合器控制动力的输出，通过变速器变速变扭调节发动机的工作效率，改变汽车的行驶方向，通过主减速器减速增扭，通过差速器分流动力。以上这一技术方案经过百年的总结，我们已经很容易理解和掌握，但是对于电驱动的汽车系统，上述功能的实现方法理解起来就相对困难了，为了便于大家理解，笔者将不同种类电动汽车的系统差异列于表1。 一、电动汽车对电驱动系统的要求 我们绝对不能把电动汽车中的驱动系统简单地理解为电动机一个能够转动的铁疙瘩。电动汽车对电驱动系统的要求诸多，电驱动系统的尺寸对整车布局影响很大，驱动系统要做得很小，驱动电动机也可以安装在轮毂内，这样汽车的承载空间会更大，地板的高度可以大大下降。 电驱动系统设计的任务是：高效率，这样在同等的电池容量下汽车可以跑得更远；寿命长，寿命要达到15年；少维护，最好是免维护的；满足法规要求的最大加速、最高车速和最大爬坡度；尺寸紧凑、质量轻；工作可靠，耐高温、抗振动、防水和防尘；低电磁辐射和良好的电磁兼容性；低噪声。 二、混合动力汽车电驱动系统的不同技术路线 1分类 按照发动机、电动机和变速器的配合关系，混动动力汽车的驱动系统分为三类，分别是串联系统（图1）、并联系统（图2）和混联系统（图3）。 串联、并联和混联系统中，燃料贡献能量与电能贡献能量的分布如图4所示。表2中列出了不同混合动力技术的路线特点。 2.典型混合动力汽车技术路线 (1)IMA系统 IMA(integratedmotorassist)系统是由本田汽车公司研发的，本田的工程人员将电动机和发电动机与汽油发动机链接在一起，并且置于变速器前部。电动机起到辅助发电动机驱动车辆的作用，这样可以使得车辆搭载体积更小、排量更低的发动机却能获得足够的驱动力。以思域混合动力车型为例，普通车型最小排量为1.8升，混合动力车型排量则仅为1.3升。由于与发动机进行直接连接，因此电动机无法在发动机关闭状态下进行工作。 第一代IMA混合动力系统的电动机功率太低，所以车辆无法依靠纯电力模式行驶。目前，性能提升后的电动机可在车辆关闭发动机，且处于巡航状态下独立驱动车辆以保持车速。当车辆制动时，与发动机连接的发电动机就会将车辆减速时的动能进行回收并用于发电。同时，发电机还承担着发动机启动电动机的作用。当等红灯时，发动机会自动关闭，此时再次启动就需要发电机的辅助。当然，为保证车辆的可靠性，还有一套常规的启动电动机作为备份。IMA系统是目前原理最简单，同时维修保养成本最低的混合动力解决方案。 (2)HSD系统 丰田汽车推出了HSD(HybridSynergyDrive)系统，这套系统也是由两台电动机和一台发动机组成，不过在安放位置上与本田的IMA系统存在差别。其中一台电动机与发动机直接相连，另外一台电动机则没有直接连接发动机。丰田这套系统最为关键的设计就是复合式行星齿轮变速器。发动机和与其相连的电动机组合在一起形成一套驱动单元，另外一台电动机形成第二个驱动单元。这两套单元可由车载电脑灵活调配，通过变速器对驱动轮传递动力。 加速时，第一套动力单元通过变速器向车轮传递动力；在纯电动模式下，第二套动力单元取代发动机，单独为车轮提供动力，此时发动机和与其相连的电动机均处于关闭状态，车辆减速时，HSD混合动力系统的电动机也会与IMA系统一样，转变为向电池组充电的发电机。两套系统的不同点在电池组满电情况下才会体现出来。当电池组充满电后，发动机所产生的电能将会输往与发动机相连的电动机，电动机通过对发动机转速的干预来达到辅助车辆减速的目的。所以，当你驾驶一辆丰田品牌的混合动力汽车实施制动时，电动机提供的电制动力已经基本够用。只有在停车或遇上紧急情况时，车辆原本的液压制动系统才能派上用场。这套系统的诞生为由车载电脑控制的线控制动及加速系统提供了前提条件。 (3)dual-mode或2-modeHybrid 第三种系统通用汽车，美国人采用完全不同的理念来实现混合动力。虽然与两家日本厂商的研发理念不同，但通用汽车的这套双模混合动力系统依旧采用了两组电动机。当处于低挡位时，第一台电动机会将动力传递给第二台电动机，然后由它们与发动机一同向车轮传递动力；在重载或处于高挡位时，发动机依旧处于运转状态（这与HSD和IMA发动机可关闭或减少工作汽缸数量的做法不同）。 车辆加速时，第一台电动机并不会向车轮传递动力，而第二套电动机还是以发动机的工作模式为电池组充电；车速进一步提升后，第一台电动机开始将电能传递给第二台电动机，同时第二台电动机停止向电池组充电，改由同发动机一起驱动车辆。 (4)沃尔沃V60plugin系统 以上三种混合动力系统均由汽油发动机+电动机组成，沃尔沃汽车公司则独辟蹊径地在xx年推出了世界上首款柴油混合动力汽车-V60plugin。沃尔沃V60plugin通过小排量柴油发动机向电动机供电，四台轮边电动机则肩负驱动车轮的任务。 这样设计的优势在于没有变速器，也不用设置半轴，可以大幅减轻车重，简化车身结构。目前，这款车型还未正式量产。不过一旦其投入市场势必会迎来一场关于其属性的争论，到底它算是混合动力还是纯电动汽车呢？目前将其定位为增程式电动汽车或许比较合适。 3不同种类动力传递技术路线的特点 在维修混合动力汽车和查看维修手册时，先要搞清楚被维修车辆动力传递的技术路线，这就像在维修传统汽车前先搞清楚被修理的发动机是几个缸、是单点喷射还是多点喷射，虽然非常基础但也非常重要。 为了便于大家理解，笔者将常见的混动力技术路线归纳总结，如图5所示。 从图5的统计表中可以看出，不同的混合动力技术方案在国内外乘用或商用车中均得到了广泛应用，相对来说P2在欧洲比较流行，行星排结构在日系和美系车辆中占主导地位，P03等组合结构在四驱车辆中应用较为普遍，采用P03的欧蓝德和标致3008均已实现量产。电动汽车车型在选择结构时应综合考虑结构复杂性、节油效果和成本增加，例如由通用、克莱斯勒和宝马联合开发的三行星排双模系统，尽管节油效果较好，但由于结构复杂且成本较高，近十年间的市场表现不尽如人意。 三、电动机的分类 1无刷直流永磁电动机 (1)结构原理 电池储存电能，电能以直流电的方式从电池输出，经过电源变换器传至电动机。直流电动机有有刷直流电动机和无刷直流电动机之分，有刷直流电动机因维护不方便被无刷直流电动机取代，无刷直流电动机已成为入门级电动汽车所使用的最为普遍的电动机类型。之所以说它是入门级电动机的首选是因为这种电动机自身还存在一些弊端，这些弊端会阻碍它在电动汽车行业里的持续应用。 在技术特性上，无刷直流电动机可分为具有直流电动机特性的无刷直流电动机以及具有交流电动机特性的无刷直流电动机。这里我们所讨论的范畴仅限于具有直流电动机特性的无刷直流电动机。 根据电动汽车对电动机的技术要求，直流电动机能够满足电动汽车运行的基本需求，另外，无刷直流电动机也不需要用户在用车期间去考虑它的维护问题，图6所示为六槽无刷永磁电动机结构示意图。 直流电动机的转速范围不算宽泛，而且最高转速仅为6000r/min左右，这样的转速属性很难满足电动汽车的工况需求，所以，有些厂商通过为其匹配二级减速器或具备传动比范围的CVT变速器来弥补直流电动机在转速方面的欠缺。显然，这样的技术结构在空间布置以及重量控制方面对整车的设计都有不利的影响。当然，也可以只为电动机匹配一个单级减速器，但车辆的动力性能以及最高车速都会受到影响。 (2)与交流永磁电动机的对比 设计上的区别 很多初学者容易将直流永磁电动机和交流永磁电动机混淆，下面加以对比。二者用的材料大体都一样，主要是设计上的不同。一般无刷直流电动机设计的时候，气隙磁场是方波的（梯形波），而且平顶的部分越平越好，因此在极对数选择上一般选取整数槽集中绕组，例如4极12槽，并且磁钢一般是同心的扇形环，径向充磁。无刷直流电动机一般装霍尔位置传感器来检测位置和速度，驱动方式一般是六步方波驱动，用于位置识别要求不高的场合。而永磁同步电动机是正弦波气隙，越正弦越好，因此极对数上选择分数槽绕组，如4极15槽、10极12槽等。磁钢一般是面包形，平行充磁，传感器一般配置增量型编码器：旋转变压器、绝对编码器等。驱动方式一般采用正弦波驱动，如FOC算法等，用于伺服场合。 无刷直流电动机的转子磁极采用瓦型磁钢，经过磁路设计，可以获得梯形波的气隙磁密，定子绕组多采用集中整距绕组，因此感应反电动势也是梯形波的。无刷直流电动机的控制需要位置信息反馈，必须有位置传感器或是采用无位置传感器估计技术，构成自控式的调速系统。控制时各相电流也尽量控制成方波，逆变器输出电压按照有刷直流电动机PWM（脉宽调制）的方法进行控制即可。本质上，无刷直流电动机也是一种永磁同步电动机，调速属于变压变频调速范畴。 永磁同步电动机具有定子三相分布绕组和永磁转子，在磁路结构和绕组分布上保证感应电动势波形为正弦，外加的定子电压和电流也应为正弦波，一般靠交流变压变频器提供。永磁同步电动机控制系统常采用自控式，也需要位置反馈信息，可以采用矢量控制（磁场定向控制）或直接转矩控制的先进控制策略。综上所述，两者区别可以认为是方波和正弦波控制导致的设计理念不同。最后纠正一个概念，“直流变频”实际上是交流变频，只不过因为控制对象，通常称之为“无刷直流电动机”。 笔者的理解中，应该说无刷直流电动机和永磁同步电动机的差别真的很难说，有时候取决于应用。传统的说法是他们的反电动势不同，直流同步电动机接近于方波，永磁同步电动机接近于正弦波。从控制方面来说，无刷直流电动机一般使用6节拍的方波驱动，控制方波的相位和导通时间；永磁同步电动机采用磁定向控制。性能上来说，无刷直流电动机的输出功率密度会大些，因为无刷直流电动机的转矩充分利用了谐波，也正因如此无刷直流电动机的谐波会严重些。 本体区别 无刷直流电动机的电动机本体：定子绕组为集中绕组，永磁转子形成方波磁场；永磁同步电动机的电动机本体：定子绕组为分布绕组，永磁转子形成正弦磁场。 传感器的区别 无刷直流电动机的位置传感器：低分辨率，60度分辨率，霍尔元件，电磁式、光电式；永磁同步电动机的位置传感器：高分辨率，1/256，1/1024，旋转变压器，光码盘。 控制的不同 无刷直流电动机：120度方波电流，采用PWM控制；永磁同步电动机：正弦波电流，采用SPWM（逆变原理及控制方法）及SVPWM(空间矢量脉宽调制)控制。无刷直流电动机磁钢为方波充磁，控制电压PWM也为方波，电流也为方波，一个电周期有6个空间矢量。控制简单，成本低，一般的MCU（微控制单元）就可以实现。永磁同步电动机：磁钢为正弦波充磁，反电动势也为正弦波，电流也为正弦波。一般采用矢量控制技术，一个电周期一般最少会有18个矢量（当然越多越好），需要高性能的MCU或DSP才能实现。 总结 上述讨论可以概括为以下结论。 传感器的不同：无刷直流电动机为位置传感器，如霍尔等；永磁同步电动机为速度和位置传感器，如旋转变压器、光电编码器等。 反电势波形不同：无刷直流电动机为近似梯形波（理想状态）；永磁同步电动机为正弦波（理想状态）。 三相电流波形不同：无刷直流电动机为近似方波或梯形波（理想状态）；永磁同步电动机为正弦波（理想状态）。 控制系统的区别：无刷直流电动机通常包括位置控制器、速度控制器和电流（转矩）控制器；永磁同步电动机根据控制策略的不同会有不同的控制系统。 设计原理与方法上的区别：无刷直流电动机尽量拓宽反电势波形的宽度（使之近似为梯行波）；永磁同步电动机使反电势接近于正弦波。体现在设计上主要是定子绕组、转子结构（如极弧系数）上的区别。 2交流异步电动机 一款产品或者一种技术得到广泛应用的原因一定离不开成本和功能这两方面的平衡，交流异步电动机在电动汽车领域的普及就能说明这一点。交流异步电动机的拥趸者中除了国内大多数厂商推出的电动汽车产品外，还包括在电动汽车阵营中独树一帜的特斯拉ModelS。在技术方面，交流异步电动机为什么能够得到普及呢？ 交流异步电动机也可被归纳到交流电动机范畴。变频调速是电动机首先要具备的功能，因为，纯电动汽车的车轮由电动机和差速器组成的传动机构进行驱动，电动机本身的转速范围即可满足车辆的行驶需要。因此，从技术结构来看，变速器不再是整个动力系统的必要装置，但是，在变频调速的性能方面，还是对电动机提出了较高的要求，另外，倒车也是日常驾驶时经常遇到的问题，