新能源汽车电驱动介绍（一）

一、概述

在传统汽车向新能源汽车发展的过程中，作为汽车动力输出的发动机等零件逐渐被电动化时代下的电机给取代。驱动电机作为新能源汽车动力输出的主要装置是确保整车具有良好动力性能的核心零部件之一，是新能源汽车的动力心脏。

正由于其所具有的重要性，因此在‘大三电’中占据了一席之地。一般情况下，根据整车性能、定位等因素的不同，主机厂所采用的驱动电机在性能、组成等方面亦有差异。因此，虽然在新能源汽车的应用上都被称作驱动电机，但细分之下仍有多种类别，如按其工作电源方式的不同可将其分为直流电机与交流电机。在直流电机中又可分为有刷电机和无刷电机，而在交流电机中按照其组成的定子与转子的转速一致性划分，又可细分出同步电机与异步电机来。目前作为国内新能源汽车驱动电机被应用的主要是交流电机中的永磁同步电机，其次是交流异步鼠笼式感应电机在市场中也占有一定比例。关于电机的分类可见下图：

图1 新能源汽车驱动电机

二、直流电机

在新能源汽车发展的早期，由于市场、技术等诸多方面的原因，在整车的驱动方面多采用直流电机模式，这主要是由于直流电机具有控制简单、成本低、结构简单等特点，有利于车企对产品进行快速验证。

直流有刷电机：其主要组成有定子、转子、轴承、端盖、风扇等。电刷装置作为定子的组成部分在电机工作中起到电流换向的作用，但由于电机工作时的高转速、高温度、电流等诸多方面的原因，电刷在长期运行后会出现磨损现象，因此常需对其进行维护。同时，在电流换向时会产生火花，这对于电机的应用在安全性上存在一定的隐患，诸多原因之下，极大地限制了该电机的发展。

图2 直流有刷电机结构

直流无刷电机：由于该类型电机在工作过程中所产生电压和电流波形通常是矩形或梯形波，同时在运行过程中会伴随较大的扭矩波动，因此在整车的运行过程中便可明显的感觉出顿挫感，这会造成用户极不好的用车体验。

正由于直流电机存在着尚无法解决的问题，同时交流电机在应用中随其技术的进步，在性能、效率、控制、成本等方面的优势凸显，因此直流电机在车端的应用逐渐被淘汰了。

三、交流电机

与直流电机在组成上具有类似的成分，其主要构成如定子、转子、机盖等部件。在交流电机的诸多类型中，作为其关键组件的定子是基本相同的，皆由铁心和线圈构成，并以固定不动的形式存在着。而让交流电机得以形成区别的主要是源自其转子部分。

图3 交流电机组成

永磁同步电机：其转子主要由含有磁源的永磁体、转子铁芯和转轴等构成。其工作方式是通过三相交流电的接入让固定不动的定子产生旋转运动的磁场，永磁体转子受到旋转磁场的作用而跟着转动，由此让电机输出动力从而驱动车辆运行。在电机的工作过程中，转子转速与定子磁场的转速始终保持着同步，因此称其为同步电机。

图4 永磁同步电机工作原理

由于永磁同步电机具有体积小、重量轻的特点，使其相对于其他类型的驱动电机具有了更高的功率密度，在汽车轻量化、集成化的趋势之下，该产品在驱动方面成为了主要的应用。同时，受益于其转子中的永磁体，转子的运动无需通电，因此减少了相关的能量损耗使得其具有了更高的效率。另外，在电机可承受的电流范围之内，电流的大小与电机的输出扭矩呈正相关，即通过提高电流的方式，可快速提升电机的输出扭矩，这相对于其他驱动电机的应用而言，可让汽车在起步阶段获得更低的零百加速时间，由此可让整车具备更佳的加速效果。

永磁同步电机虽在应用上具有诸多优势，但同时也存在尚待解决的问题，如：

1）升速下的弱磁控制问题。当电机转速达到某一速度时，想要继续提升便需要进行弱磁控制，但永磁同步电机的转子磁场是由永磁体提供的，采用弱磁控制就需要通过消耗电流来反向抵消部分转子磁场，而电机的输出功率与电压和输出电流相关，电流的消耗便导致了功率的降低，而要想保持目标功率的不变，就需要输出更大的电流，因此使得在高速工况下的运行效率降低了；

2）高速工况下的反电动势问题。永磁同步电机中的永磁体也会产生磁场，在高速工况下，固定的定子线圈对该磁场做切割运动而产生感应电动势的影响会更加明显，而该感应电动势的方向与原线圈电压的方向正好相反，两相叠加之下，使得驱动电压得以降低，所以在高速工况下的输入电压往往要高于理论值不少。同时由于电压的升高，在电机内部会形成更大的涡流损耗，从而引发电机高温问题，高温又会对定子、转子等组件造成不可逆的损害；

3）由于长期处于高温、振动等环境中，永磁体的退磁问题；

4）首次通电自启动问题。在永磁同步电机通电的同时，定子便会产生旋转磁场，而转子由于惯性并不会立马跟着运转，在某一特定条件下，会出现电机无法启动的情况，因此需要额外安装变频器以解决该问题，而这也增加了电机的成本。

交流异步电机：在目前的应用中主要以鼠笼式感应电机为主，由于其转子常采用铜或铝制材料组成了类似于鼠笼的结构形式因此得名。

图5 鼠笼转子

其在工作原理上，首先是通过三相交流电的接入让定子产生旋转磁场，在该磁场的作用下，会在如上图所示鼠笼的金属棒上产生感应电流，接着电流会向两端流动最终在笼端形成短路而产生感应扭矩，该扭矩会促使转子以略低于定子旋转磁场转速的速度运动，从而让电机输出动力。由于转子与旋转磁场的速度不同步，因此称其为异步电机。

图6 鼠笼式转子工作原理

由于转子的运转并不与旋转磁场的速度同步，因此异步电机不存在永磁同步电机中的自启动问题，同时异步电机不使用永磁体，因此在高速控制上亦不存在弱磁问题，也无需考虑磁退化，因此在耐温性上也要相对出色些，由于具有高成本的永磁体不存在了，其在成本方面也具有了一定的优势，但也由于不使用永磁体，导致其总成在结构体积上不占优势。

虽然在高速工况下异步电机的表现更加优越，但相对于低速工况及起步性能而言，其在效率及表现上则要比永磁同步电机差些。择优补短之下，部分主机厂会在两驱车型上采用前异步后永磁的模式。就一般性能而言，永磁同步电机与异步电机特性如下：

表1 永磁同步电机与异步电机特性对比

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