新汽车电机基础控制 2

绪论第1章新能源汽车定义为：采用新型动力系统，完全或主要依靠新型能源驱动的汽车。

新能源汽车主要包括：纯电动汽车（EV）、插电式混合动力汽车（PHEV）及燃料电池汽车（FCEV）。新能源汽车的三电1.1新能源汽车的概念和种类1.纯电动汽车

纯电动汽车是指行驶动力全部来自电机的汽车，电机的驱动电能来源于车载可充电的动力电池组或其他电能储存装置。2.混合动力电动汽车根据混合动力驱动的联结方式，一般把混合动力汽车分为三类：①串联式混合动力汽车（SHEV）主要由发动机、发电机、驱动电机等三大动力总成用串联方式组成了HEV的动力系统。在串联式混合动力设计中，车辆的驱动仅仅是由驱动电机来单独完成的，动力电池的电能来自外部电源和内燃机进行充电。②并联式混合动力汽车（PHEV）的发动机和驱动电机都是动力总成，两大动力总成的功率可以互相叠加输出，也可以单独输出。③混动式混合动力汽车（PSHEV）综合了串联式和并联式的结构而组成的电动汽车，主要由发动机、电动－发电机和驱动电机三大动力总成组成。3.燃料电池电动汽车

燃料电池电动汽车的动力系统主要由燃料电池发动机、燃料箱（氢瓶）、电机、动力电池组等组成，采用燃料电池发动机发电作为主要能量源，通过电机驱动汽车行驶。燃料电池是利用氢气和氧气（或空气）在催化剂的作用下直接经电化学反应产生电能的装置。1.2电机在新能源汽车上的应用和分类汽车电机是一种在汽车上进行机械能和电能的转换的电磁机械装置。汽车电机可分为传统汽车使用的汽车发电机，起动机，刮水器、车窗、座椅、空调等微特电机和电动汽车驱动电机。1.2.2汽车电机分类1.2.1电机在新能源汽车上的应用1．驱动电机图1-1驱动电机表1-1

汽车电机和工业用电机主要区别项目工业应用车辆应用

封装尺寸空间不受限制，可用标准封装配套各种应用布置空间有限，必须根据具体产品进行特殊设计工作环境环境温度适中（-20~+40℃）；静止应用，振动较小温度变化大（-40

~

+105℃）；振动剧烈可靠性要求较高，以保证生产效率很高，以保障乘车者安全冷却方式通常为风冷（体积大）通常为水冷（体积小）控制性能动态性能要求不高需要快速的力矩响应控制，动态性能较好功率密度较低（0.2kW/kg）较高（3.8-4.5kW/kg）2．控制电机据统计，目前的一辆高档电驱动轿车中安装有多达120台的电机，这些电机遍布整车的不同应用，从底盘系统中的电动转向助力（

EPS）、主动悬架、制动防抱死系统（

ABS）、电子驻车系统，到前照灯随动（

AFS）、车窗刮水器、电动车窗、电动后视镜、电动座椅等，如图1-2所示，已为汽车电控系统中最为重要的执行器部件。可以预见，未来更多更高性能的车用电控执门也都将通过电机来完成。

a）发电机

b）座椅电机c）电动助力转向（EPS）

d）电驱动悬架图1-2典型汽车用控制电机1.4.2各类型汽车电机对比项目交流异步电机永磁同步电机开关磁阻电机功率密度一般高较高转矩转速特性好好好最高转速范围（r/min）9000-1800015000-3000018000调速性能好好好功率单元通常为三相通常为三相四相或六相位置传感器相对位置绝对位置绝对位置可靠性高一般高结构坚固性好一般好尺寸及重量一般，一般小，轻较小，较轻电机成本较低高较低控制器成本高高高1.直流电机(DCMotor)有刷直流电机，控制技术成熟，在电力电子技术出现前，直流电动机驱动普遍应用。工作原理是通过机械开关的调节来控制串联的动力电池组的数量，实际是通过改变两端的电压大小实现有级调速的一种方式，可调范围受到硬件上的限制。2.交流三相感应电动机(IM)

交流异步电机与直流电机相比，效率高、功率密度高、结构简单，无电刷和换向器，可靠性高、便于维护，也被应用于电动汽车特别是客车领域。与永磁电机相比，其优势是结构可靠、怠速运行损耗低，在电动四驱汽车中作为辅助动力应用较多。但其存在损耗大、功率密度低、发热量大、功率因数低等缺陷，在电动汽车中的应用也逐渐被永磁电机所取代。图1-5交流异步电机3.永磁同步电机永磁同步电机通常简称为PMSM，由于具有构造简单、运行可靠、体积小、质量轻、损耗少、效率高、电机的形状和尺寸灵活多变等显著优点，转速范围可达4000~20000r/min，尺寸小而轻，是电动汽车中具有较高功率密度和调速范围广的一种强有力的驱动电机。4.开关磁阻电动机(SRM)简称为SRM，基于磁通总是沿磁阻最小路径闭合的原理产生转矩。优点：该驱动电机转子可承受较高的温度，只在定子上产生损耗，冷却效果好且方法简单；启动转矩大，起动电流小；调速性能好;动态性能好，但一定程度上增加控制系统的难度。缺陷：SRM固有的转矩波动，噪声大；其次，SRM结构上需要安装位置传感器，使其结构复杂化。电驱动总成技术发展“三合一”电驱动总成主要电驱动厂家电动汽车驱动电机的主要性能参数包括：额定电压－直流母线的标称电压；直流母线电压－驱动电机系统的直流输入电压；额定电流－在额定电压下，电动机轴上输出的机械功率为额定功率时，电动机定子或转子绕组通过的线电流值；额定转速－在额定电压输入下，以额定功率输出时对应的电动机输出转速；额定转矩－电机在额定功率和额定转速下的输出转矩；额定功率－在额定条件下，电动机轴上输出的机械功率；额定效率－在额定运行时电动机轴上输出的机械功率与电动机在额定运行时电源输入到电动机的功率之比值1.2.3电动汽车驱动电机的主要性能参数1.2.4

电动汽车电机技术条件电机的型号由电机类型代号、尺寸代号、信号反馈元件代号、冷却方式代号、预留代号五部分组成。电机类型代号KC——开关磁阻电机；TF——方波控制型永磁同步电机；TZ——正弦控制型永磁同步电机；TD－电励磁同步电机；YR——异步电机（绕线式）；YS——异步电机（鼠笼式）；ZL——直流电机。尺寸代号一般采用定子铁心的外径来表示，对于外转子电机，采用外转子铁心外径来表示。信息反馈元件（位置传感器）代号：M——光电编码器；X——旋转变压器；H——霍尔元件；Q－其他元件；W—无传感器冷却方式代号：S——水冷方式；Y——油冷方式；F——强迫风冷方式；Q——其他强迫冷却方式；Z——非强迫冷却方式（自然冷却）控制器型号由控制器类型代号、输入电压规格代号、信号反馈元件代号、输出电流规格代号、冷却方式代号和预留代号六部分组成。用驱动电机控制器最大工作电流的有效值除以“10”再圆整后的数值来表示。最少以两位数值表示,不足两位的,在十位上冠以0。输出电流的单位为安培(A)。1.3.1汽车电机技术的发展史1诞生期1820年，奥斯特发现通电导体在磁场中会受到力的作用，并初步开创了电磁学。同年，法国人安培提出了安培定律。法拉第1821年制出了第一台原理性的电动机，实现了电能和机械能的转换。1831年发现了电磁感应现象，并在随后的几年制出了发电机和电动机。1.3新能源汽车电机发展概况十九世纪三十年代，苏格兰发明家RobertAnderson便成功将电动马达装在一部马车上，后来1834年并与ThomasDavenport合作，打造出第一部以电池为动力的电动汽车。

法国人GastonPlante在1859年发明了铅酸电池，1865年研发出性能更好的二次电池。

蒸汽机汽车(1769)

第一辆装汽油机的汽车(1885)2初步繁荣期

1900年，洛纳•保时捷在Lohner-Porsche的后轮上开始安装内燃机驱动系统，支撑了世界上第一台混合动力汽车。

1912年之前，电动车销量远远超过其他动力的汽车。混合动力汽车比利时电动汽车(时速>100公里)1905，汽车开始采用直流发电机，可以为蓄电池充电；1913，美国福特推动形成了比较完善的汽车电器系统，包括点火，起动机，发电机、蓄电池、照明等推动了T型车的流水线生产，电动汽车逐渐被内燃机汽车取代。

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电动汽车再次复兴1983年，日本的佐川真人和美国的约翰-克罗特发明了钕铁硼永磁材料，第二年就开始量产，它的诞生开创了新一代稀土永磁材料制造的先河。锂电池方面，美国的古迪纳夫与惠廷厄姆和日本吉野彰1985年发明了锂电池体系。近年来，电力电子技术和控制技术快速发展。2019年全年，全球电动车销量达到220万辆，其中国产品牌销量104万辆。2021年全球共售出逾649.5万辆电动车，2024年全球共售出逾1700万辆电动车，其中中国1300万辆。2025年中国共售出1649万辆电动车，占比突破50%。1.扁线电机扁线电机与传统电机相比，具有更高的槽满率和更低的直流铜损。此外，在散热性和热传导等方面也优于传统电机。1.3.2电动汽车电机的发展趋势扁线电机圆线电机

2.高的功率密度和瞬时功率较高的功率密度和瞬时功率即体积小，重量轻，功率大。乘用车电机功率密度力已达到6kW/kg。在控制器方面已达到

60kW/L（碳化硅）。高功率化的趋势主要围绕电机技术、电控技术、系统集成、散热冷却技术和高压化等方面展开。3.高速化

新能源电驱动系统呈高速化发展趋势，转速水平从主流的15000rpm升级到18000rpm甚至20000rpm以上。但是高速化带来的分散热、转子结构、振动噪声、高效设计、轴承等问题又不得不去解决。高速电机的转子结构必须克服的离心应力，一般在“高速”的范围内采用金属护套、转子本身结构等，而在超过18000rpm的范围内采用碳纤维缠绕。4.较高的可靠性

电机应具备坚固、可靠，有一定的防尘防水能力，电机在大批量生产之前，应该进行相应的环境试验，包括高低温（-40℃~85℃）、三防（湿热、霉菌、盐雾）试验、机械过载（振动、冲击、加速度）试验等。行驶安全5.环境友好

电动汽车电机要求低噪声、低振动，产生的电磁辐射较小，同时也不容易受到其他电磁波的负面影响。电机NVH技术（噪声、振动、声振粗糙度）1.4电动汽车驱动方式的选择1.传统驱动系统电动汽车传统驱动模式由传统内燃机汽车简单改装而来，仅以驱动电机替换发动机，传动系统仍然包括离合器、变速器等传动机构。图1-13传统驱动系统2.组合式驱动系统电动汽车组合式驱动系统由驱动电机、减速器和机械差速器组成，驱动电机一般使用中、高转速的电动机，因此需要利用减速器降低转速增大扭矩。图1-14组合式驱动系统3.整体式驱动系统电动汽车整体式驱动系统把驱动电机、齿轮减速器和差速器集成为一个整体，驱动电机轴与驱动桥两半轴布置在同一轴线上。其中驱动电机轴是特殊加工的空心轴，一根驱动桥的半轴从该空心轴中通过，减速器和差速器安装在驱动电机输出端。这一改变需要具备较高装备的电动机，并且需要其具有较好的启动转矩和后备功率；能够进行较高精度的控制，系统可靠性和稳定性也非常重