燃料电池汽车动力系统（五）：机电能量转换

电机中的电磁能量转换

电机是指依靠电磁感应运行且具有能做相对运动部件的机械，电机可将电能转换成机械能，也可将机械能转换成电能，电机主体包括运动部分（转子）和静止部分（定子）。

电机包括电动机和发电机，电机转换电能和机械能是双向的，既可以工作在发电模式下，也可以工作在电动模式下。在电动机工作过程中，从定子绕组输入电能，从转子轴上输出机械能，在发电机工作过程中，能量反向流动。

电机之所以能够传递或转换电能，一个基本条件是存在一个耦合磁场。在电动汽车上，常用的两类电机是感应电机和永磁同步电机，这两类电机转子和定子之间耦合磁场的建立方式不同。耦合磁场是理解电机机电能量转换和运动的基础。

车用感应电机

感应电机又称异步电机，即转子置于旋转磁场中，在旋转磁场的作用下，获得一个转动力矩，因而转子转动。旋转磁场的转速和转子的转速不一致，通常有 2% ~ 5% 的速度差（转差，slip），因此称为异步电机。大多数设计中，转子是可转动的封闭导体，即电路上是短路状态，通常呈松鼠笼形状，也有人形象称为“鼠笼电机”。定子是电机中不转动的部分，主要任务是产生一个旋转磁场，其基本原理如图 1-21 所示。

由于电池供电是直流电，而车用驱动电机一般是三相交流电机，需要使用逆变器实现电流变换，逆变的概念与整流相反，是将直流转换为交流，而逆变器是使电源系统的电压、频率、相数和其他电量或特性发生变化的电气设备。在电动汽车中一般使用三相桥式逆变器，它有三个桥臂，输出端的三端分别位于三组开关的中点，取两两之间的电压差就可以得到三相电所需的三个相电压，如图 1-24所示。通过控制三组共六个开关的开通顺序，三相桥式逆变器可以得到一组幅值相等、频率相等、相位相差 120° 的三相电信号。

在电流逆变控制中，都是通过对开关管进行调制，获取不同的电压或电流波形。目前，正弦脉宽调制（Sinusoidal Pulse Width Modulation，SPWM）控制、电流滞环控制和 SVPWM 方式是电机控制中最常见的方式，其差别仅在于对开关管的调制方式不同。从逆变器输出目标来看，SPWM 的控制目标是使变压变频器的输出电压尽量接近正弦波，电流滞环控制的控制目标是使变压变频器的输出电流尽量接近正弦波，而 SVPWM 的控制目标是在电机空间形成圆形旋转磁场，从而产生恒定的电磁转矩，也就是实现磁链跟踪控制。

SPWM 的概念比较简单，就是通过预先设定的不同频率的正弦波形调制高频PWM 信号，经过感性负载滤除 PWM 高频而产生正弦电压。电流滞环调制方法是先产生一个理想的电流波形，用实际的电流与之比较，超过一定范围则切换开关进行调整，其基本思路是 Band-Band 控制。而 SVPWM 的实现则是基于电机转矩产生的原理，直接控制磁场的产生，近似圆形磁链的控制，主要是通过基本矢量合成所得，即通过开关管的切换，实现不同的电压矢量组合，从而实现对电流的调制。

SVPWM 的主要思想是以三相对称正弦波电压供电时三相对称电机定子理想磁链圆为参考标准，以三相逆变器不同开关模式做适当的切换，从而形成 PWM波，以所形成的实际磁链矢量来追踪其准确磁链圆

电机与电驱动集成

由于电机驱动控制系统是新能源汽车行驶中的主要执行结构，驱动电机及其控制系统是新能源汽车的核心部件（电池、电机、电控）之一，其驱动特性决定了汽车行驶的主要性能指标，它是电动汽车的重要部件。电动汽车中的电机驱动有其特殊的要求，主要体现在如下方面。

1）电机驱动系统结构紧凑、尺寸小，质量轻。电机、驱动控制和减速器往往采用集成一体化设计。

2）可靠性高。电驱动系统是核心关键部件，必须具有长寿命、高可靠性，且失效模式可控，以保证乘车者的安全。

3）转矩转速特性好。电机要提供精确的转矩控制，瞬态转矩大，动态性能较好，调速范围宽，能适应电动汽车的各种行驶工况。

4）效率高，功率密度较高。要保证电机在较宽的转速和转矩范围内都有很高的效率，以降低功率损耗，提高一次充电的续驶里程。

5）环境适应性好。电机要适应汽车本身行驶的不同区域环境，即使在较恶劣的环境中也应该能够正常工作，具有良好的耐高温、耐潮湿性能。

电驱动系统包括电机驱动系统与其机械传动机构两个部分，电机驱动系统主要由电机、功率转换器、控制器、各种检测传感器以及电源等部分构成，结构如图 1-25 所示。

电机是应用电磁感应原理运行的旋转电磁机械，用于实现电能向机械能的转化。车用电机一般要求具有电动、发电两项功能，驱动模式运行时从电源系统吸收电功率，向机械系统输出机械功率；制动模式能量转化反向，从汽车的动能转化为电能，给电源系统充电。由于汽车需要前进和倒退双向驱动，所以要求车用驱动电机能够四象限运行。电机可选用感应、永磁同步、永磁无刷或开关磁阻等多种类型，目前车用电机的主流是感应电机和永磁同步电机。

电机的驱动器也称为逆变器，按所选电机类型及采用的开关器件不同，有多种拓扑结构，其作用是按所选电机驱动电流的要求，将直流电转换为相应电压等级的交流或脉冲电源。

电机的控制系统主要由电源模块和电子控制模块构成，起到调节电机运行状态，使其满足整车不同运行要求的目的。针对不同类型的电机，控制系统的原理与方式有很大差别。

电机和机械传动装置进一步集成，就形成了电驱动桥，简称电桥（eAxle）。电桥中的主要部件有电机控制器、电机、减速器、差速器，有些电桥还可能包括换档装置等。电桥是由电驱动装置的多个部件组合而成的一个简洁套件，与单个组件相比，电桥电气连接和机械连接的距离更短，集成度更高，占用空间更小，这样不仅可以加快动力响应速度，同时能够共享冷却和润滑系统，减少系统 成本。

综上所述，新能源汽车中电机驱动系统的发展呈现了下面的趋势。

1）电机本体永磁化：永磁电机具有高转矩密度、高功率密度、高效率、高可靠性等优点。我国具有世界上最为丰富的稀土资源，因此，高性能永磁电机是我国车用驱动电机的重要发展方向。

2）电机控制数字化：高性能电力电子器件和电机控制专用数字信号处理器的出现，促进了电机控制器的数字化，提高了电机系统的控制精度，提高了功率密度，有效减小了系统体积。

3）电机系统集成化：通过机电集成（电机与发动机集成或电机与变速器集成）和控制器集成，形成一体化驱动电桥，有利于减小驱动系统的质量和体积，可有效降低系统制造成本。