電動(dòng)汽車的四種驅(qū)動(dòng)電機(jī)比較

    新能源汽車具有環(huán)保、節(jié)約、簡(jiǎn)單三大優(yōu)勢(shì)。在純電動(dòng)汽車上體現(xiàn)尤為明顯：以電動(dòng)機(jī)代替燃油機(jī)，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)而無(wú)需自動(dòng)變速箱。相對(duì)于自動(dòng)變速箱，電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、技術(shù)成熟、運(yùn)行可靠，甚至被視為中國(guó)在新能源汽車行業(yè)實(shí)現(xiàn)汽車工業(yè)“彎道超車”的希望領(lǐng)域之一。新能源電動(dòng)汽車主要是由電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、電池系統(tǒng)和整車控制系統(tǒng)三部分構(gòu)成，其中的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是直接將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的部分，決定了電動(dòng)汽車的性能指標(biāo)。因此，對(duì)于驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇就尤為重要。
    電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)要求有以下幾個(gè)特點(diǎn)：
    l寬廣的恒功率范圍，滿足汽車的變速性能
    l啟動(dòng)扭矩大，調(diào)速能力強(qiáng)
    l效率高，高效區(qū)廣
    l瞬時(shí)功率大，過(guò)載能力強(qiáng)
    l功率密度大，體積小，重量輕
    l環(huán)境適應(yīng)性高，適應(yīng)惡劣環(huán)境
    l能量回饋效率高
    根據(jù)驅(qū)動(dòng)原理，電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)可分為以下4種：
    1、直流電動(dòng)機(jī)
    在電動(dòng)汽車發(fā)展的早期，很多電動(dòng)汽車都是采用直流電動(dòng)機(jī)方案。主要是看中了直流電機(jī)的產(chǎn)品成熟，控制方式容易，調(diào)速優(yōu)良的特點(diǎn)。但由于直流電動(dòng)機(jī)本身的短板非常突出，其自身復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)（電刷和機(jī)械換向器等），制約了它的瞬時(shí)過(guò)載能力和電機(jī)轉(zhuǎn)速的進(jìn)一步提高；而且在長(zhǎng)時(shí)間工作的情況下，電機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生損耗，提高了維護(hù)成本。此外，電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的電刷火花會(huì)使轉(zhuǎn)子發(fā)熱，浪費(fèi)能量，散熱困難，還會(huì)造成高頻電磁干擾，這些因素都會(huì)影響具體整車性能。
    由于直流電動(dòng)機(jī)的缺點(diǎn)非常突出，目前的電動(dòng)汽車已經(jīng)將直流電機(jī)淘汰。

    2、交流異步電動(dòng)機(jī)
    交流異步電機(jī)是目前工業(yè)中應(yīng)用十分廣泛的一類電機(jī)，其特點(diǎn)是定、轉(zhuǎn)子由硅鋼片疊壓而成，兩端用鋁蓋封裝，定、轉(zhuǎn)子之間沒(méi)有相互接觸的機(jī)械部件，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠耐用，維修方便。交流異步電機(jī)與同功率的直流電動(dòng)機(jī)相比效率更高，質(zhì)量約輕了二分之一左右。如果采用矢量控制的控制方式，可以獲得與直流電機(jī)相媲美的可控性和更寬的調(diào)速范圍。由于有著效率高、比功率較大、適合于高速運(yùn)轉(zhuǎn)等優(yōu)勢(shì)，交流異步機(jī)是目前大功率電動(dòng)汽車上應(yīng)用最廣的電機(jī)。
    但在高速運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下電機(jī)的轉(zhuǎn)子發(fā)熱嚴(yán)重，工作時(shí)要保證電機(jī)冷卻，同時(shí)異步電機(jī)的驅(qū)動(dòng)、控制系統(tǒng)很復(fù)雜，電機(jī)本體的成本也偏高，另外運(yùn)行時(shí)還需要變頻器提供額外的無(wú)功功率來(lái)建立磁場(chǎng)，故相與永磁電機(jī)和開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)相比，異步電機(jī)的效率和功率密度偏低，不是能效最優(yōu)化的選擇。

    異步電動(dòng)機(jī)應(yīng)用的較多的地區(qū)是美國(guó)，這也被人為是和路況有關(guān)。在美國(guó)，高速公路已經(jīng)具有一定的規(guī)模，除了大城市外，汽車一般以一定的高速持續(xù)行駛，所以能夠讓高速運(yùn)轉(zhuǎn)而且在高速時(shí)有較高效率的異步電動(dòng)機(jī)得到廣泛應(yīng)用。
    3、交流異步電動(dòng)機(jī)
    永磁式電動(dòng)機(jī)根據(jù)定子繞組的電流波形的不同可分為兩種類型，一種是無(wú)刷直流電機(jī)，它具有矩形脈沖波電流；另一種是永磁同步電機(jī)，它具有正弦波電流。這兩種電機(jī)在結(jié)構(gòu)和工作原理上大體相同，轉(zhuǎn)子都是永磁體，減少了勵(lì)磁所帶來(lái)的損耗，定子上安裝有繞組通過(guò)交流電來(lái)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，所以冷卻相對(duì)容易。由于這類電機(jī)不需要安裝電刷和機(jī)械換向結(jié)構(gòu)，工作時(shí)不會(huì)產(chǎn)生換向火花，運(yùn)行安全可靠，維修方便，能量利用率較高。

    永磁式電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)相比于交流異步電機(jī)的控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)更加簡(jiǎn)單。但是由于受到永磁材料本身的限制，在高溫、震動(dòng)和過(guò)流的條件下，轉(zhuǎn)子的永磁體會(huì)產(chǎn)生退磁現(xiàn)象，所以在相對(duì)復(fù)雜的工作條件下，永磁式電機(jī)容易發(fā)生損壞，故這一塊還有待繼續(xù)發(fā)展改善。
    而且永磁材料價(jià)格較高，因此整個(gè)電機(jī)及其控制系統(tǒng)成本較高，目前只有稀土資源豐富的中國(guó)比較傾向于使用永磁電機(jī)的電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)方案。像日本、歐洲，要么是使用輕稀土的永磁材料做永磁電機(jī)，要么是直接改用無(wú)需稀土材料，但對(duì)控制器設(shè)計(jì)要求更高的開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)。
    4、開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)
    開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)作為一種新型電機(jī)，相比其他類型的驅(qū)動(dòng)電機(jī)而言，開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的結(jié)構(gòu)最為簡(jiǎn)單，定、轉(zhuǎn)子均為普通硅鋼片疊壓而成的雙凸極結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子上沒(méi)有繞組，定子裝有簡(jiǎn)單的集中繞組，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單堅(jiān)固、可靠性高、質(zhì)量輕、成本低、效率高、溫升低、易于維修等諸多優(yōu)點(diǎn)。而且它具有直流調(diào)速系統(tǒng)的可控性好的優(yōu)良特性，同時(shí)適用于惡劣環(huán)境，非常適合作為電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)使用。

    但開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)有轉(zhuǎn)矩波動(dòng)大、需要位置檢測(cè)器、系統(tǒng)非線性特性，磁場(chǎng)為跳躍性旋轉(zhuǎn)，控制系統(tǒng)復(fù)雜；對(duì)直流電源會(huì)產(chǎn)生很大的脈沖電流等缺點(diǎn)。另外開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)為雙凸極結(jié)構(gòu)，不可避免地存在轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，噪聲是開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)最主要的缺點(diǎn)。
    但近年來(lái)的研究表明，采用合理的設(shè)計(jì)、制造和控制技術(shù)，開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的噪聲完全可以得到良好的抑制。像目前日本對(duì)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的研究比較深入，日本電產(chǎn)的開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)也廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車、家電等各類行業(yè)中。目前中國(guó)國(guó)內(nèi)也漸漸有廠家關(guān)注這塊電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)的未來(lái)發(fā)展方向
    打造高效的新能源汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)
    致遠(yuǎn)電子基于對(duì)電機(jī)及電動(dòng)汽車行業(yè)的深入探索和長(zhǎng)久積累，成功在MPT系列電機(jī)測(cè)試系統(tǒng)上整合面向新能源汽車的特殊測(cè)試項(xiàng)目——MAP圖和再生能量回饋試驗(yàn)，為廣大電動(dòng)汽車電機(jī)設(shè)計(jì)者提供優(yōu)秀的測(cè)試解決方案。
    1、MAP圖
    根據(jù)GB/T 18488-2015電動(dòng)汽車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，需要對(duì)新能源汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行MAP圖測(cè)試，獲取該電機(jī)的效率特性和高效區(qū)分布情況。MAP圖實(shí)際測(cè)試結(jié)果如下圖:

    圖中橫軸為轉(zhuǎn)速，縱軸為轉(zhuǎn)矩，顏色表示對(duì)于的效率，它代表了電機(jī)在不同的工作區(qū)域（轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)矩）下的效率特性分布情況，其中橙紅色部分就是電機(jī)的高效區(qū)。高效區(qū)分布越廣，代表該電機(jī)在各類工況下運(yùn)行時(shí)越省電。
    致遠(yuǎn)電子MPT電機(jī)測(cè)試系統(tǒng)內(nèi)置MAP自動(dòng)化測(cè)試功能，可以根據(jù)用戶預(yù)先設(shè)置的加載情況，自動(dòng)控制負(fù)載和被試電機(jī)進(jìn)行對(duì)應(yīng)的工況加載，獲取不同工況下的效率，最終把海量的測(cè)試數(shù)據(jù)整合成一張MAP圖，直觀地為用戶分析電機(jī)的效率特性和高效區(qū)分布情況。
    2、再生能量回饋試驗(yàn)
    同樣根據(jù)GB/T 18488-2015電動(dòng)汽車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，還需要對(duì)新能源汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行再生能量回饋試驗(yàn)。該試驗(yàn)?zāi)康氖强剂框?qū)動(dòng)電機(jī)在制動(dòng)時(shí)，即運(yùn)行在發(fā)電機(jī)狀態(tài)時(shí)，能否正常實(shí)現(xiàn)電能的回饋，同時(shí)評(píng)估電機(jī)的真實(shí)能耗情況。
    針對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的再生能量回饋試驗(yàn)，致遠(yuǎn)電機(jī)MPT電機(jī)測(cè)試系統(tǒng)可靈活利用內(nèi)置MDA電機(jī)與驅(qū)動(dòng)器分析儀的積分功能，對(duì)電機(jī)控制器的輸入端進(jìn)行實(shí)時(shí)積分，精確捕捉該電機(jī)在制動(dòng)時(shí)回饋的能量值。

    同時(shí)針對(duì)電機(jī)控制器和動(dòng)力電池之間直流充放電特性，致遠(yuǎn)電機(jī)特殊設(shè)計(jì)充放電積分功能，可對(duì)電機(jī)控制器輸入端的電信號(hào)進(jìn)行采樣率周期實(shí)時(shí)積分，即使電機(jī)快速在電動(dòng)機(jī)狀態(tài)和發(fā)電機(jī)狀態(tài)之間切換，也可以捕捉到一段時(shí)間內(nèi)電機(jī)和動(dòng)力電池之間的能量傳輸情況。