电动汽车电驱系统

电动汽车的电驱系统主要包括驱动电机、传动机构和变换器三个部分。传动机构包含减速器和差速器,差速器的作用是在汽车转弯时使两侧车轮的转速不同,在电动汽车和燃油汽车上是一样的,因此本节的传动机构部分只介绍减速器。另外,变换器部分则着重介绍逆变器。

驱动电机

电机是指依据电磁感应定律实现电能转换或传递的一种电磁装置。其中,把电能转换为机械能的装置称为电动机(Motor),在电路中用字母 M 表示。而把机械能转换为电能的装置则称为发电机(Generator),在电路中用字母 G 表示。电动汽车中的驱动电机就是电动机的一种,它的主要作用是产生驱动转矩,作为汽车的动力源。

根据电源种类不同,可分为直流电动机和交流电动机两种。

  • 直流电动机(DC Motor):把直流电流引入转子中,使转子在定子磁场中受力而产生旋转。
  • 交流电动机(AC Motor):把交流电通入定子绕组,从而在定子和转子的间隙中产生旋转的磁场,旋转磁场在转子绕组中产生感应电流,进而使转子在磁场中受力产生旋转。

它们的区别是,直流电机是磁场不动,导体在磁场中运动;交流电机是磁场旋转运动,而导体不动。相对来说,直流电机具有较宽的调速范围和较大的启动转矩,制造技术和控制技术也都比较成熟;交流电机的结构简单,但调速复杂。

针对直流电动机,定子绕组和转子绕组串联的直流电动机称为串励直流电动机,定子绕组和转子绕组并联的直流电动机称为并励直流电动机。针对交流电动机,根据转子速度与定转子间隙的旋转磁场是否一致,可分为交流同步电动机交流异步电动机

  • 交流同步电动机:转子的速度与旋转磁场相同的电动机。根据励磁(产生磁场)方式不同,可以分为永磁同步电动机和电励同步电动机。
  • 交流异步电动机:转子的速度与旋转磁场不同(高于或低于)的电动机。根据定子接入交流电源的相数,可以分为三相异步电动机和单相异步电动机。

为了满足电动汽车快速响应、宽调速范围、高可靠性、高安全性、轻量化、高效率、能量回收以及成本可控等需求,目前市面上的电动汽车中,使用最多的是永磁同步电动机(国内车企常用)和三相异步电动机(特斯拉电动车)。

  • 永磁同步电动机(Permanent Magnet Synchronous Motor,缩写 PMSM),其中“永磁”是指在转子上安装永磁体(永磁体通常由钕铁硼等稀土材料制作而成),通过永磁体产生的磁场驱动转子旋转;“同步”则是指转子的转速与定子绕组产生的旋转磁场始终保持一致。因此,通过控制定子绕组输入的电流频率,即可控制转子的转速,从而控制电动汽车的车速。
  • 三相异步电动机(Triple Phase Asynchronous Motor),定子接入 380V 的对称三相电源,其转子的转速总是小于定子产生的旋转磁场。由于转子没有永磁体,因此结构更简单、制造更方便、成本更低。

无论是永磁同步电动机还是三相异步电动机,都有许多量产车型在使用,它们的优缺点对比如下表所示。

永磁同步电动机 三相异步电动机
优点 – 效率高
– 输出功率和转矩高
– 质量轻、体积小
– 极限转速和制动性能优异
– 调速性能好、精度高
– 具有良好的瞬时特性,响应速度快
– 成本低
– 结构简单
– 控制技术成熟
– 运行可靠、维护方便
– 噪声低
缺点 – 结构复杂
– 控制复杂
– 成本高
– 永磁材料在受振动、高温、过载时导磁性能可能下降
– 稀土材料制造成本不稳定
– 尺寸大
– 重量大
– 转子不易散热
– 调速性能差、调速范围窄

减速器

顾名思义,减速器的作用就是用来降低电动机的转速,同时增大转矩。根据电动机的特性曲线,在电动机输出功率固定的条件下,转矩与转速成反比,即转速越快则转矩越小,反之转速降低则转矩增大。这就是减速器的工作原理。

我们可以把减速器看作是一个传动比固定的变速器,或者直接简化为一个固定齿比的齿轮机构。下图是电动汽车减速器的基本构造,主要由连接驱动电机的输入轴、输入轴齿轮、齿轮副、输出轴齿轮、输出轴(连接车轮)组成。

减速器最重要的参数是传动比,也就是下一级齿轮与上一级齿轮啮合的齿数比,或者上一级齿轮与下一级齿轮的转速比。传动比小于 1 则为加速,传动比大于 1 则为减速。一般来说,电动汽车减速器的传动比在 7~10 之间,例如特斯拉配备了一个固定传动比为 9.73 的减速器,日产聆风的减速器传动比为 8.19。

传统的燃油汽车发动机能够输出的最大功率区间很窄,在转速很低时转矩很小,在转速很高时转矩很低,因此需要通过多级变速器改变传动比,使得不管车速多少,都能使发动机的转速接近于输出最大功率的转速,从而尽可能输出更多的动力。但是,电动汽车与之不同,驱动电机在转速很低时就能够提供很大的转矩,功率会随着电动机的提升而上升至最大输出功率。当电动机转速提升至临界转速后,转矩会逐渐降低,功率会保持不变,处于恒功率输出状态,一直到电动机的最高转速。

所以,电动汽车电动机的最高转速通常比燃油汽车发动机的最高转速大得多。例如,特斯拉 Model S 的最高转速达 16000 r/min,而燃油汽车发动机的最高转速一般在 6000 r/min 左右。

因此,即便采用单级减速器,电动汽车的最高车速也有很好的表现。并且由于单级减速器的结构简单、传动效率高、损失小、噪声低、成本低,是目前大多数电动汽车采用的方案。当然,也有一些电动汽车采用两级减速器,即有两个传动比,一级用于满足电动汽车最大爬坡要求,二级用于满足电动汽车最高车速要求。

逆变器

我们知道,电动汽车使用的永磁同步电动机和三相异步电动机都是交流电动机,而动力电池输出的是直流电。因此需要一个实现交流电(AC)和直流电(DC)相互转换的装置,这个装置就是逆变器(Inverter)。

具体来说,逆变器在电动汽车上主要有三个应用场景:

  • 直流转交流(DC to AC)

    ① 将动力电池的直流电转变为驱动电动机的交流电,为汽车提供动力。

  • 交流转直流(AC to DC)

    ② 在制动能量回收时,驱动电机反向旋转,将交流转换为直流,将动能回收到动力电池中。

    ③ 在充电时,将来自电网的交流电(单相或三相)转换为直流电,给动力电池充电。

逆变器中的核心电子器件是 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor),即绝缘栅双极型晶体管,它的作用是将直流电压逆变成频率可调的交流电。是逆变器中最重要,也是成本最高的模块。IGBT 是一种大功率的电力电子器件,是一个非通即断的开关,IGBT 没有放大电压的功能,导通时可以当作导线,断开时当作开路。可以通过软件控制,实现每秒上万次的开关变换频率,从而将直流电逆变为交流电。

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