几种常用电动汽车的驱动系统的比较及永磁同步电动机的相对优势

几种常用电动汽车的驱动系统的比较及永磁同步电动机的相对优势

2012年1月30日

电动汽车用永磁同步电机的发展分析

彭海涛，何志伟，余海阔

(华南理工夫学电力学院，广州510640)

摘要：简要的比较了几种常用电动汽车的驱动系统，并指出了永磁同步电动机的优势。在各类驱动电机中，永磁同步电机能量密度高，效率高、体积小、惯性低、响应快，有很好的应用前景，介绍了电动车驱动用永磁同步电机的目前研究状况以及目前的研究热点和发展趋势。关键词：电动汽车；永磁同步电机；弱磁控制；控制策略；应用

中圈分类号：TM351, TM341 文献标志码：A 文章编号：1001—6848[2010)06-0078-04

O引言

电动汽车具有低噪声、零排放、高效、节能及能源多样他和综合利用等显著优点，成为各国开发的主流。电动汽车的发展有赖于技术的进步，尤其是需要进一步提高其驱动系统的性能。电动汽车对其驱动系统的要求是转矩控制能力良好，转矩密度高，运行可靠性及在整个调速范围内的效率尽可能高，从而保证车辆具有良好的动力性能和操控性，同时在车载动力电池未能取得突破的情况下，延长车辆的续驶里程。研究并开发出高水平的电机驱动控制系统，对提高我国电动汽车驱动系统水平及电动汽车的产业化具有重要意义[2]。

随着永磁材料性能的提高和成本的降低，永磁同步电动机以其高效率、高功率因数和高功率密度等优点，正逐渐成为电动汽车驱动系统的主流电机之一。

1电动汽车用电动机及驱动系统比较

电气驱动系统作为现代电动汽车的核心，主要包括：电动机、功率电子元器件及控制部分。评价电动车的电气驱动系统实质上主要就是对不同电动机及其控制方式进行比较和分析。目前正在应用或开发的电动车用电动机主要有直流电动机(DCM)、感应电动机(IM)、永磁电动机(PM)、开关磁阻电动机(SRM)网类。下面分别对几种电气驱动系统进行简要分析和说明，其总体比较见表l。

1.1直流电动机驱动系统

在电动汽车领域最早使用的就是直流电动机。直流电动机结构简单，易于控制，具有良好的电磁转矩控制特性，但是由于采用机械换向结构，维护困难，并产生火花，容易对无线电产

生干扰，这对高度智能化的未来电动汽车是致命的弱点。另外，直流电动机驱动系统体积大、制造成本高、速度范围有限、能量密度较低，这些都限制和妨碍了直流电动机在电动汽车中的进一步应用。

1.2感应电动机驱动系统

感应电动机现在普遍采用变频驱动方式，常见的变频控制技术有三种：V/F控制、转差频率控制、矢量控制。20世纪90年代以前主要以脉冲宽度调制 ( PWM)方式实现V/F控制和转差频率控制，但这两种控制技术因转速控制范围小、转矩特性不理想，面对于需频繁起动、加减速的电动汽车不太适用。近几年，电动汽车感应电动机主要采用矢量控制技术。

1.3开关磁阻电动机驱动系统

以开关磁阻电动机( SRM)为代表的磁阻电动机是一种很有发展前途的电动机驱动系统。SRM 是一种没有任何形式的转子导体和永久磁体的无刷电动机，它的定子磁极和转子磁檄都是凸的。SRM具有转子结构简单可靠、在较宽转速和转矩范围内高效运行、响应速度快等优点。但SRM在振动、噪声、转矩脉动、控制方式等方面还有许多问题需要解决，目前应用还受到限制。

1.4永磁电动机驱动系统

永磁电动机既具有交流电动机的无电刷结构、运行可靠等优点，又具有直流电动机的调速性能好的优点，且无需励磁绕组，可以做到体积小、控制效率高，是当前电动汽车电动机研发与应用的热点。永磁电动柳驱动系统可以分为无刷直流电动机(BLDCM)系统和永磁同步电动机(PMSM)系统。无刷直流电动机( BLDCM)系统具有转矩大、功率密度高、位置检测和控制方法简单的优点，但是由于换相电流很难达到理想扶态，因此会造成转矩脉动、振动噪声等问题。对于车速要求不太高的电动汽车驱动领域，BLDCM系统具有一定的优势，得到了广泛的重视和普遍应用。永磁同步电动机( PMSM)系统具有高控制精度、高转矩密度、良好的转矩平稳性以及低噪声的特点，通过合理设计永磁磁路结构能获得较高的弱磁性能，提高电动机的调速范围，因此在电动汽车驱动方面具有较高的应用价值，已经受到国内外电动汽车界的高度重视，并在日本得到了普遍的应用，是一种比较理想的电动汽车驱动系统。

2电动车用永磁同步电动机研究状况

2.1日本电动车用永磁同步电机状况

日本1965年就开始研制电动车，于1967年成立了日本电动车协会。由于永磁同步电机的性能优良，所以一经问世就受到日本汽车公司的青睐。1996年，丰田汽车公司的电动车RAV4就采用了东京电机公司的插入式永磁同步电机作为驱动电机，其下属的日本富士电子研究所研制的永磁同步电机可以达到最大功率50 kW，最高转速1 300 r/min。1998年1月，尼桑公司研发的新一代电动小客车在美国加利福尼亚州投入使用。驱动电机采用了钕铁硼材料，电机体积很小。表2为诙电动车驱动电机的技术指标。

近几年，日本电机工程研究实验室与其它公司合作又推出采用双层永磁体的内置式永磁同步电机（如图l所示），提高了电机的交轴电导，使电机转矩增加百分之10，最大效率区增加百分之10，电机最大峰值效率可达百分之97以上，主要运行区域效率可大干百分之93．

2.2欧洲电动车用永磁同步电机状况

在法国VEDELIC电动车计划中，PSA电动车动力传动系统生产商,在I997年改进r驱动电机。选择的新型驱动电机即为3相永磁同步电机。电机的性能指标如表3所示：

表3法国VEDELIC电动机计划中采用的与传统的直流驱动系统相比，法国采用的3相永磁同步电机主要有以下三方面提高：

①功率密度比和转矩密度比高；

②效率更高；

③可靠性提高，维修方便。德国第三代奥迪混合电动车驱动电机采用了永磁同步电机。其最高转速为12 500 r/min，最大输出功率32 kW。

2.3美国电动车用永磁同步电机状况

美国的电动车开发比日本晚。在美国，感应电机的设计及其控制策略的发展较为成熟，所以电动车驱动电机还主要以感应电机为主。但美国也进行了永磁同步电机的研究，而且成果卓著。SatCon公司等人研制的永磁同步电机采用定子双套绕组技术，既扩大了电机的转速范围，又有效利用了逆变器的电压，绕组电流低，电机效率高。表4是美国SatCon公司研制的电机在不同转速和功率下的效率特性：

3研究的热点及其发展趋势

作为车辆电驱动系统的中心环节，驱动电机的总体性能是设计研制技术的关键之一。根据车辆运行的特殊环境以及电驱动车辆自身的特点，对驱动电机的技术要求主要是：

(1)体积小、重量轻；有较高的功率和转矩密度；

(2)要求在宽速域范围内，电动机和驱动控制器都有较高的效率；

(3)有良好的控制性能以及过载能力，以提高车辆的起动和加速性能。

3.1提高电机转矩特性

(1)提高输出转矩

日本电机工程研究实验室与其它公司合作推出采用双层永磁体的内置式永磁同步电机，提高了电机的交轴电导，使电机转矩增加百分之10，最大效率区增百分之10，最大峰值效率可达百分之97以上，主要运行区域效率可大于百分之93。

(2)降低转矩脉动

在抑制转矩脉动方面，通常通过对电机结构进行优化设计来实现。例如：采用不均匀气隙，在转子上分布圆形孔洞，优化定子齿形，优化磁极形状等等。图2为一种新型永磁体形状设计。磁桥宽度保持不变，随着角度日变小，转矩脉动和齿槽转矩减小。

3.2提高弱磁扩速能力

弱磁控制可以实现永磁同步电动机在低速时能输出恒定转矩，高速时能输出恒定功率，有较宽的调速范围。较弱的弱磁性能能够在逆变器容量不变的情况下提高系统性能；或者说在保持系统性能不变的前提下降低电机的最大功率，从而降低逆变器的容量。网此对永磁同步电动机进行弱磁控制并且拓宽弱磁范围有着重要的意义。

力了提高电机效率、扩大电机的弱磁能力，国内外提出了许多弱磁设计方案：其中代表性的主要有：

(1)定子采用深槽结构：通过采用深槽结构增加直轴漏杭，从而增加电机的弱磁能力。日本人采用这种方法没计出的样机最高速度可达13 000 r/min。但采用这种方法高速铁耗比较大。日本电机采用了高性能低饱和硅钢片，采用普通的硅钢片材料设计效果不会很好。

(2)复合转子结构：复合式转子由永磁段和轴向层叠磁阻段组成，两者同轴置于同一定子铁心内。可以对这两部分进行独立设计，磁阻段用于控制电机直、交轴电抗参数，以获得需要的凸极比。这种结构可以增大电机的直轴电抗，扩大电机的转速范围。但这种结构会使转矩密度降低，高速时铁磁损耗很大。

(3)交替极结构永磁电机：这种电机的定子由叠片铁心、铁轭以及3相绕组组成；沿圆周的直流绕组被放置在定子铁心的中间。转子极分为两部分：一部分放径向磁化的永磁体，一部分为铁极结构。该结构容易实现弱磁控制，但直流绕组的引入减小了功率密度，对空间体积的要求也增加了。

(4)双套定子绕组：低速时采用低速绕组提高电机的转矩、降低电流从而提高电机的效率，高速时采用高速绕组降低电机的反电势扩大电机的高速运行范围。美国技术公司就采用了这项技术。沈阳工业大学和香港大学也对这项技术进行了研究。

电动汽车用承磁同步电机的发展分析彭海涛，等港大学通过实验证明采用双套绕组后永磁同步电机的最高转速可由2 000 r/min扩大到4 500 r/min以上。

4结语

电机驱动系统是制约电动车发展的关键技术之一。由于永磁同步电机具有功率密度大、功率因数大、效率高等优点，已成为电驱动技术发展中的一个重要研究方向。随着研究的不断深入和电机性能的提高以及车载能源技术和动力控制系统的近一步发展，永磁同步电机将会有更广阔的应用前景。