2.1 电动汽车用驱动电机简介
2.1.1 电动汽车对驱动电机的要求
电动汽车驱动电机性能的好坏，将直接影响到电动汽车的起步、停车、加减速、高速行驶和爬坡等技术性能指标。为满足电动汽车的动力性、经济性，电动汽车对驱动电机有一些特殊的要求。
① 驱动电机要以电磁转矩为控制目标，加速踏板的开度是通过控制器给电机电磁转矩的目标值。要求电机转矩响应迅速、波动性小、稳定性好。
② 由于电动汽车在使用时，有起步、加速、巡航、减速和制动等多种工况，要求驱动电机具有较宽的调速范围。为保证加速时间，要求电机在低速加速时具有较大的输出转矩和过载能力（一般为额定转矩的2～4倍），过载时间在3min以上。为保证电动汽车在巡航时行驶在最高车速，驱动电机在高速运转时具有高的功率。电机最高转速一般在基速额定值的2倍以上。
③ 驱动电机的损耗要低，在整个运行范围内要效率高，尽可能地提高一次充电的续驶里程。
④ 电动汽车在减速时要实现再生制动，将能量回收并反馈给蓄电池，能量回收率应占总能量的15%以上。
⑤ 电机安全性应符合国家有关车辆电气安全的性能标准规定，对高电压的还需装备高压防护装置。
⑥ 驱动电机的耐振动、耐高温和防水耐湿能力强、等级高，能在恶劣的气候条件下和各种道路上长时间工作，可靠性高。
⑦ 由于电动汽车留给电机的安装空间有限，整车又要求轻量化，因此驱动电机体积和质量应尽可能小，结构要简单，使用维护要方便。
⑧ 电机的运行噪声低。
⑨ 驱动电机在允许的电压等级范围内，尽量采用高压电，电机的电磁兼容性要好。
⑩ 驱动电机的制造工艺简单，价格合理，适合于批量生产。
2.1.2 电动汽车驱动电机的种类
电动汽车早期采用的是直流电机，随后逐步采用的是交流感应电机、永磁同步电机和开关磁阻电机等。电动汽车驱动电机根据工作原理和结构的不同有如下几种。
（1）有换向器有刷电机 在有换向器有电刷的电动汽车驱动电机中又分为直流串励电机、直流他励电机和永磁电机。
（2）无换向器无刷电机 无换向器无刷电机按输入磁场电流的波形分为正弦波电机和方波电机。
① 正弦波电机 又可分为异步电机和同步电机，其中异步电机根据结构又可分为感应式异步电机和绕线式异步电机；同步电机按励磁方式又可分为永磁同步电机和电励磁同步电机。
② 方波电机 按结构分为开关磁阻电机和永磁无刷电机。
（3）无轴承同步磁阻电机 为特种驱动电机。
2.1.2.1 电动汽车直流驱动电机
早期电动汽车采用的是直流电机，最主要的原因是直流电机具有优良的转矩特性，其控制原理和控制装置简单、控制成本低、启动和加速转矩大、调速性能好。但其致命的缺点是，电刷和机械换向器限制了电机的过载能力、速度、功率体积比、功率质量比和效率的进一步提高。而且换向器产生的电火花、电磁干扰和噪声等极大地降低了可靠性，影响了其应用，同时其必须定期维护才能正常使用。现在一些低速短程电动汽车上广泛使用直流电机。
直流电机主要通过改变电枢电压，采用脉冲宽度调节（PWM）斩波器和PI调节器来实现调速控制。不同类型的斩波器适用于不同的模式，如一象限型适用于正向电动模式，二象限型适用于电动和再生制动模式，三象限型适用于反向电动模式，四象限型适用于通过电子控制的正向电动和反向制动模式。
直流电机在国外电动汽车上的应用如下。
① 法国雪铁龙SAXO电动汽车，采用120V、20kW直流驱动电机，最高车速达90km/h，该车续驶里程为100km。
② 法国标致QCGS106电动汽车，采用120V、20kW直流驱动电机，最高车速达110km/h，该车续驶里程为200km。
2.1.2.2 电动汽车交流感应驱动电机
交流感应电机又称交流异步电机。随着微电子、电力电子技术和自动化控制技术的快速发展，电动汽车的驱动电机采用交流感应电机的情况日益增多。国外对交流异步铸铜转子感应电机作为牵引驱动电机使用非常重视，它与直流电机相比，具有结构简单、坚固、体积和质量小、成本低、效率高且价格低廉等优势。电机的定子输入频率可在较大范围内变化，调速范围宽，是电动汽车用驱动电机较理想的选择，尤其是对驱动系统功率需求较大的电动客车。但交流异步感应电机在低速运行时，也存在效率低、发热严重、控制系统复杂等有待解决的技术问题。
交流感应电机有笼型转子式和绕线转子式两种。绕线转子式可通过改变外电路参数来改善电机的运行性能，但其成本高、需要维护、耐久性能不足，因而没有笼型转子式应用那么广泛。特别是在纯电动汽车和混合动力汽车上，笼型转子式交流感应电机得到了广泛应用。电动汽车使用的交流感应驱动电机的额定电压一般为380V，其功率电动乘用车为20～80kW，电动商用车为100～150kW。电动汽车采用交流感应电机时，应合理选定电机的容量，尽可能地避免出现“大马拉小车”的现象。根据有关动力性能参数正确地予以选择，以尽量缩短电机空载运行时间。
目前国内外高性能电动汽车交流感应电机控制，主要有矢量控制和直接转矩控制两种控制方法。矢量控制方法已比较成熟，应用普遍，直接转矩控制方法有待于进一步完善。
矢量控制下的三相交流感应电机的机械特性如图2-1所示。
图2-1 矢量控制下的三相交流感应电机的机械特性
交流异步感应电机在国内外电动汽车上的应用如下。
① 美国通用公司的EV1/EV2纯电动汽车，采用功率102kW交流异步感应电机，在0～7000r/min间的任何转速下可产生149N·m的转矩。
② 京华电动公交车、客车采用额定功率为100kW的交流异步感应电机JD132A，额定电压为360V，额定转速为2000r/min，额定转矩为447.8N·m，峰值功率为150kW，峰值转速为4500r/min，峰值转矩为850N·m。
③ 中通纯电动豪华旅游客车，采用额定功率为100kW的交流异步感应电机JD144C，额定功率为100kW，额定转速为2000r/min，额定转矩为447N·m，峰值功率为150kW，峰值转速为5300r/min，峰值转矩为1000N·m。
2.1.2.3 电动汽车永磁同步电机
永磁同步电机具有高功率密度、高效率、易散热、高可靠性和较好的动态性能等优点，是当前电动车辆用驱动电机的热点。永磁同步电机分为交流永磁同步电机、直流无刷永磁电机、新型永磁电机三大类，目前在电动汽车中主要采用的是前两类。
（1）交流永磁同步电机（PMSM） 交流永磁同步电机是反电动势波形和供电电流波形都是正弦波的电机，又称为正弦波永磁同步电机，采用定子磁场的定向矢量控制和转子连续位置反馈信号来控制电机的调速和换向。
交流永磁同步电机由定子和转子两部分组成，定、转子之间有气隙，定子和普通交流电机相同，在定子槽内嵌入三相绕组；转子采用永磁体励磁。根据永磁体在转子上的安放位置，转子分为三种：永磁体表面凸出式结构，电机的极性是隐极式；永磁体表面嵌入式结构，电机的极性是凸极式（凸极度低）；永磁体内置式，电机的极性是凸极式（凸极度高）。永磁同步电机所用的永磁材料一般为钕铁硼，该永磁材料具有很高的剩磁感应强度、矫顽力和最大磁能积，可大大提高电机的功率质量比。采用钕铁硼制成的永磁同步电机具有体积和质量小等优势，故得到广泛应用。
交流永磁同步电机根据转子对定子的位置不同可分为三种：外转子式，将定子固定在电机中心，转子处于定子外圆之外围绕电机的中心做旋转运动；内转子式，将定子固定在电机中心，转子在定子腔内围绕电机的中心做旋转运动，外转子式和内转子式这两种电机的气隙是圆柱面的，气隙磁场是径向的，称为圆柱式电机或径向磁场电机；盘式电机，与圆柱式电机不同，其定子和转子均为圆盘形，在电机中心对等放置，气隙是平面形的，气隙磁场是轴向的，故称为轴向磁场电机，此类电机结构简单、紧凑，轴向尺寸短，有较高的功率和质量比。以上三种永磁同步电机，在电动汽车上采用的多是内转子式交流永磁同步电机。
交流永磁同步电机无需励磁电流，效率和功率因数较高，体积小、结构简单可靠。交流永磁同步电机具有频带宽、反应快、精度高、调速范围宽等优点。功率驱动器运转时无噪声、无电火花。在低速直接驱动的场合交流永磁同步电机具有比交流感应电机和直流无刷电机更优越的性能。自20世纪80年代以来，随着微电子、电力电子技术、永磁材料技术和交流可调速驱动技术的发展，交流永磁同步电机驱动技术有着长足的进步。在20世纪90年代后全数字控制的正弦波交流永磁驱动技术已完全成熟，并实现了商品化。由于具有优良的低速性能，又可实现弱磁高速控制，拓宽了系统的调速范围，满足了电动汽车高性能驱动要求。随着永磁材料及电机控制技术的飞速发展，进一步提高了交流永磁同步电机的性价比，因此交流永磁同步电机在电动汽车驱动系统中的应用会越来越广泛。
交流永磁同步电机在国内外电动汽车上的应用如下。
① 福特公司纯电动汽车福克斯采用额定功率为90kW、额定转矩为245N·m的交流永磁同步电机。该车最高车速为136km/h，续驶里程为160km。电机效率比相同内燃机提高3倍，有效地减少了能量损失和热量的产生。
② 日本KAZ纯电动汽车采用额定功率为90kW的交流永磁同步电机，该车最高车速为320km/h，最大续驶里程为300km。
③ 米其林公司制成额定功率为30kW、峰值功率为60kW的交流永磁同步轮毂电机，装配在车辆上使0～100km/h的加速时间大大缩短。
④ 丰田普锐斯第三代采用功率为60kW、最大转速为13500r/min、最大输出转矩为207N·m的交流永磁同步电机。
⑤ 一汽解放CA6127URE31纯电动城市客车，采用额定电压为380V、额定功率为115kW、额定转速为2000r/min的交流永磁同步电机，该电机峰值功率达150kW，峰值转矩为850N·m。
（2）直流无刷永磁电机（BLDCM） 直流无刷永磁电机是在传统直流电机的基础上发展起来的，其电磁结构和传统直流电机一样，其反向电动势波形和供电电流波形都是矩形波，又称为矩形波永磁电机。直流无刷永磁电机定子采用集中绕组，内置PTC热敏电阻进行热保护，使用霍尔元件作位置传感器镶嵌在转子永磁体中。通过转子位置传感器、控制电路和换向电路共同组成电子换向装置，代替电刷机械换向，取消了滑动式机械接触机构。电机相数可有三相、四相、六相甚至十几相等，根据发热量的不同采用自然冷却或外加风机强制通风散热冷却等方式。
当直流无刷永磁电机的定子绕组为星形接法时，其控制器采用半桥电路或全桥电路均可；定子绕组为三角形接法时，则只能采用全桥电路。直流无刷永磁电机电极数少则效率高，但转矩脉动大；极数多则转矩的脉动小，但过多的极数会导致结构复杂，控制功率和开关管的增加，其成本也相应增大。目前电动汽车中采用最多的是三相全桥星形两两通电的驱动控制方式。
直流无刷永磁电机的优点：结构简单、质量轻、使用维护方便；无转子耗损，易于实现高速和快速制动；效率高、动态响应性好；具有和传统直流电机一样好的转矩-转速控制特性，能实现大范围内的调速控制；控制简单，具有硬机械特性且制造成本低；能适应电动汽车恶劣的运行环境。
直流无刷永磁电机的缺点：运行时转矩脉动大，不适于轻载低速直接驱动的场合；铁芯附加耗损大，不适于高精度、高性能要求驱动的场合。
直流无刷永磁电机在国内外电动汽车上的应用如下。
① 日本EV-plus纯电动汽车采用额定功率为49kW、额定电压为288V的直流无刷永磁电机，该车在经济转速下的最大续驶里程为180km。
② 戴姆勒-奔驰公司的Smart纯电动汽车，采用功率为30kW的直流无刷永磁电机，该车最高车速为97km/h，续驶里程为160km。
③ 长城精灵纯电动汽车采用功率为50kW的直流无刷永磁电机，简化了结构，提高了效率，速度可达130km/h，采用锂离子电池10min充电70%，续驶里程达180km。
（3）新型永磁电机 目前在电动汽车使用的驱动电机中，处于研发试验阶段的还有两种新型永磁电机：一种是混合式永磁电机（HSM）；另一种是续流增磁永磁电机。
混合式永磁电机又分为以下三种。
① 永磁和磁阻混合。有两种混合方式：将永磁体嵌入转子回路中，电机同时产生永磁转矩和同步磁阻转矩；将永磁体和开关磁阻结构结合起来，成为具有高效、高功率密度和宽调速范围的双凸极永磁电机（DSPM）。
② 综合利用永磁转矩和磁滞转矩。将永磁体嵌入磁滞环槽内从而综合利用永磁转矩和磁滞转矩而制成电机，这种磁滞混合电机具有启动转矩高、运行平稳、噪声低等许多独特的优点，很适合用于电动汽车的驱动系统中。
③ 把永磁体置于转子内，直流励磁绕组安放在定子上，通过控制励磁电流的大小和方向很容易调节电机的气隙磁通，以达到电动汽车驱动电机对转矩和转速特性的要求。
续流增磁永磁电机是一种复合励磁的特殊直流电机，它兼顾了串励直流电机和他励直流电机的优点。该电机采用稀土永磁体和增磁绕组复合励磁的方式，增磁绕组利用续流回路的电流进行增磁，和稀土永磁体共同产生复合磁场，能很好地满足电动汽车驱动电机在低速时增磁增矩、高速时弱磁增速的特性要求。双象限范围运行可实现电动汽车再生制动能量回收利用，采用PWM脉宽调制控制技术使电机运行平稳且噪声低，在电动汽车驱动领域具有独特的优越性。
2.1.2.4 电动汽车开关磁阻电机
开关磁阻电机（SRM）又称可变磁阻电机，是近二十年来是备受重视的一种新型特种电机，它是集电机技术、现代电力电子技术与计算机控制技术相结合的产物，它综合了感应电机和直流电机传动系统的优点，有着结构简单、容错性好、低速输出转矩高、成本低、效率高等许多优良的特性，特别适合作电动汽车用驱动电机在各种工况下运行，近年来为电动汽车行业所关注。
开关磁阻电机是基于“磁阻最小”的原理而设计的具有凸极结构的新型电机，其定子凸极和转子凸极有多种组合方式。一般转子凸极数比定子凸极数少2个，且定子和转子的凸极数均为偶数，相数为三相或四相（也可以为多相），共同组成不同极数的开关磁阻电机。开关磁阻电机由于无永磁体，解决了永磁同步电机和直流无刷永磁电机现存的高温退磁、磁钢使磁极分配不均匀、成本高等问题。开关磁阻电机具有制造容易、生产工艺简单、成本低、控制方便、免维护和结构紧凑等特点，现代电力电子技术与计算机控制技术充分发挥了开关磁阻电机启动转矩大、效率高、运行平稳以及安全可靠的特长。
开关磁阻电机的双极结构，使电机在运行时产生转矩脉动和噪声等问题，直接影响电动汽车的行驶稳定和乘坐舒适性，这两个问题是以往制约开关磁阻电机应用于电动汽车行业的主要障碍。现在研发的低噪声低振动开关磁阻电机有效地抑制了转矩脉动及噪声，为开关磁阻电机在电动汽车中的应用起到了积极的推动作用。有研究表明，通过对开关磁阻电机的灵活控制，能够实现在宽调速范围内电动或发电模式下的高效率运行。如此以来开关磁阻电机用于混合动力汽车或纯电动汽车驱动系统中具有良好的开发价值，具有良好的应用前景。奔驰、沃尔沃、菲亚特、通用等国际大公司正大力研发电动汽车用开关磁阻电机。
开关磁阻电机的机械特性如图2-2所示。开关磁阻电机的控制方式可分为电流斩波控制（CCC）、角度位置控制（APC）和电压控制（VC）三种。
图2-2 开关磁阻电机的机械特性
开关磁阻电机在国内外新能源电动汽车上的应用如下。
① 英国捷豹公司C-X75C插电增程式四驱超跑概念车采用两个开关磁阻电机。
② 艾默生公司混合动力客车电机1额定功率为55kW，电机2额定功率为130kW，均为开关磁阻电机。
③ 东风公司混合动力客车采用额定功率为60kW、额定电压为336V、输出转矩为355N·m的开关磁阻电机。
④ 中纺锐力公司混合动力公交车采用额定功率为35kW、额定电压为336V、额定转速为2000r/min、峰值功率为60kW、最大转速为7000r/min的水冷式开关磁阻电机。
2.1.3 驱动电机旋转变压器和工作模式
2.1.3.1 旋转变压器
旋转变压器安装在驱动电机上，是一种电磁传感器，又称同步分解器，用来测量转轴的角位移和角速度。在电动汽车上，使用旋转变压器作为测量驱动电机的转速元件，并将转速信号传递给电机控制器。
（1）旋转变压器的结构 在电动汽车上应用的旋转变压器结构分为线圈和信号齿圈两部分。传感器的线圈固定在壳体上，信号齿圈固定在转子上，如图2-3所示。传感器线圈由励磁、正弦和余弦三组线圈组成。
图2-3 旋转变压器的结构
（2）旋转变压器的工作原理 和普通变压器的原理基本相似，区别在于普通变压器一次、二次线圈绕组是固定的，所以输入电压和输出电压之比是常数。而旋转变压器的一次、二次线圈绕组随转子的角位移发生相对位置的改变，因而输出电压的大小随转子角位移的变化而变化，输出绕组的电压波形与转子转角成正弦或余弦关系，电压幅值与转子转速成正比例函数关系。其中定子绕组作为变压器的一次侧，接受励磁电压；转子绕组作为变压器的二次侧，通过电磁耦合得到感应电压。随着两者相对角度的变化，在输出侧就可以得到幅值变化的波形。驱动电机传感器用的旋转变压器包含三个绕组，即一个转子绕组和两个定子绕组。转子绕组随电机旋转，定子绕组位置固定且两个定子互成90°，如图2-4所示。这样，绕组形成了一个具有角度依赖系数的变压器。将施加在转子绕组上的正弦载波耦合至定子绕组，对定子绕组输出进行与转子绕组角度相关的幅度调制。由于安装位置的原因，两个定子绕组调制输出信号的相位差为90°。通过解调两个信号可以获得驱动电机的角度位置信息。
图2-4 旋转变压器的工作原理
（3）旋转变压器的特点 旋转变压器结构简单、动作灵敏、对环境无特殊要求，能辨别正反转位置、输出信号幅度大，抗干扰性强、工作可靠且维护方便，因此在电动汽车上广泛应用。
（4）旋转变压器故障检修 电机与控制器低压线束连接正确时，如果旋转变压器出现故障，一般分为两种：一种是旋转变压器本身故障；另一种是控制器旋变解码电路故障。不管哪一种故障，都将会导致电机无法启动或输出转矩偏小。
以某车型为例，检查电机旋转变压器是否损坏。首先检查驱电机控制器与电机连接低压线束无退针与虚接现象，检查电机控制器低压控制插件12V供电正常。
① 检查线路的通断。根据电路图脱开电机控制器插头，测量电机旋变插头35针脚至电机控制器19针脚之间导线是否出现断路/短路情况。
② 检查励磁绕组的电压。打开上电（点火）开关至ON挡，测量插件端应有3～3.5V的交流电压。
③ 检查线圈的电阻值。用万用表测量电机旋变传感器的阻值，正确的线圈阻值如下。
a.正弦绕组阻值：拔下插件测量传感器端子应有（60±10）Ω。
b.余弦绕组阻值：拔下插件测量传感器端子应有（60±10）Ω。
c.励磁绕组阻值：拔下插件测量传感器端子应有（30±10）Ω。
若线圈的阻值超出正常范围，需更换旋转变压器。若阻值正常，则可能是控制器内部旋变解码电路故障，需更换控制器主控板。
2.1.3.2 工作模式
驱动电机系统有驱动电机、电机控制器，通过高低压线束、冷却管路与整车其他系统连接。整车控制器根据加速踏板信号、制动踏板信号和挡位等信号通过CAN总线向电机控制器发送指令，实时调节驱动电机的输出转矩，以调整整车的低速、加速、停车和能量回收等功能。电机控制器能对自身的温度、转子位置进行实时监测，并把相关信息传递给整车控制器，进而调节水泵和电子冷却风扇的工作，使驱动电机保持在理想的状态。这就使目前电动车辆的行驶有D挡加速、E挡省电、制动能量回收、R挡倒车四种模式。
① D挡加速行驶。驾驶员打开上电开关，将挡杆置入D挡位置并踩下加速踏板，此时挡位信号和加速踏板信号传递给整车控制器，整车控制器把驾驶员的操作意图通过CAN总线传递给电机控制器。再由电机控制器结合旋变传感器（驱动电机的转子位置信息），向驱动电机输入三相电，三相电流在定子绕组上产生旋转磁场，电磁力拖动转子以同步转速正向旋转。随着加速踏板行程不断加大，电机控制器控制IGBT的导通频率不断上升，驱动电机的转速随着电流的增加而增加。在电动汽车上要求驱动电机的输出功率保持恒定，电机控制器会通过电流传感器和电压传感器，来计算当前的驱动电机功率，并把这些信息数据通过CAN总线发给仪表进行显示。
② E挡省电行驶。E挡为能量回收行驶挡，与D挡的根本区别在于电机控制器与整车控制器的内部程序、控制策略目标不同。如果说D挡主要体现驾车时的动力加速性，那E挡主要体现节省电量以延长续驶里程，也称为省电节能性。挡杆在D挡注重加速灵敏、响应较快，E挡则注重能量回收、放电平缓。当车辆高速行驶或下坡行驶时，松开加速踏板后驱动电机会被车轮反拖动成为发电机，此时由于发电反拖动消耗了部分机械能，牵制了车辆滑行起到了一定的降速制动的效果。驾驶时会发现E挡位比D挡位所滑行的距离明显偏短。
③ 制动能量回收。当车辆行驶时松开加速踏板后，驱动电机在惯性的作用下仍在旋转。当电机转速下降至车轮转速以下，车轮带动电机旋转，此时原来的驱动电机就变为发电机。动力电池管理系统（BMS）根据电池充电特性曲线（充电电流、电压变化曲线和电池的容量关系）以及采集的电池温度等参数，计算出相应的允许最大充电电流。电机控制器根据电池的最大允许充电电流控制IGBT模块使充电机定子线圈旋转磁场的角速度与电机转子的角速度保持到发电电流不超过电池允许的最大充电电流，以调整发电机向动力电池充电的电流，同时也控制了车辆的减速度。当踩下加速踏板时反馈电流在驱动电机控制器的调节控制下充入高压动力电池。当驾驶员感觉车速下降较慢制动效果不理想，继续踩下制动踏板时液压制动系统才进入工作状态。
④ R挡倒车。当驾驶员打开上电开关，将挡杆置入R挡位置并踩下加速踏板，驾驶员的请求信号发给整车控制器，再通过CAN总线发给电机控制器，此时电机控制器结合旋变传感器测得的驱动电机的转子位置信息，通过改变IGBT模块向驱动电机输入三相电（W/V/U的通电顺序），进而控制电机反向转动，从而驱动车辆倒车行驶。