新能源汽车电机设计及控制_新能源汽车电机及控制系统

1.新能源汽车电驱系统标准解读与拓展：转速控制

2.新能源汽车驱动电机与工业驱动电机有何不同？

3.新能源汽车永磁同步电机的发展史，究竟是怎样的？

4.什么是新能源汽车驱动电机

新能源汽车技术原理和分析

1.串联式合动力汽车

发动机、发电机、驱动电机、蓄电池等是构成串联式混合动力汽车的主要部件。从机械的角度来看，电机与行驶系统直接连接，发动机仅仅是用来发电，并没有直接参与汽车驱动。在这个系统中，蓄电池起到控制电量的作用，能够做到平衡电机的输入功率与发电机的输出功率。

2.联式合动力汽车

发动机、发电机、电机、逆变器、蓄电池等是构成并联式混合动力汽车的主要部件。并联式混合动力汽车具有2套驱动系统，在汽车行驶的过程中，可以进行选择，单独的使用发动机/电机作为动力来源，或者通过动力耦合装置，将电机与发动机协调起来，共同作为动力来源。

3.混联式混合动力汽车

发动机、发电机、电机、行星齿轮机构、蓄电池等是构成混联式混合动力汽车的主要部件。混联式混合动力汽车是串联与并联混合动力汽车的综合，结合了两者的优点，利用行星齿轮机构有效的连接动力源，根据实际的状态调节，使行车系统中的电动机、发电机处在了最佳的工作状态，提高了系统的总功率。

4.纯电动汽车

电力驱动控制系统、汽车底盘、装置等是纯电动汽车的组成构件。纯电动汽车指的是仅仅凭借自带的电池所存储的能量作为动力来源的汽车。这种纯电动汽车噪声小、零排放，因此是最为环保的一类汽车。这类汽车只有唯一的动力来源，完全凭借着电池储能，所以行车里程的距离取决于电池储能的大小。

新能源汽车电驱系统标准解读与拓展：转速控制

要求具有电动、发电两项功能，按类型可选用直流、交流、永磁无刷或开关磁阻等几种电动机。功率转换器按所选电机类型，有DC/DC功率变换器、DC/AC功率变换器等形式，其作用是按所选电动机驱动电流要求，将蓄电池的直流电转换为相应电压等级的直流、交流或脉冲电源。

新能源汽车特点

1、发动机工作状态不受汽车行驶工况的影响，始终在其最佳的工作区域内稳定运行，因此，发动机具有良好的经济性和低的排放指标。

2、由于有电池进行驱动功率“调峰”，发动机的功率只需满足汽车在某一速度下稳定运行工况所需的功率，因此可选择功率较小的发动机。

新能源汽车驱动电机与工业驱动电机有何不同？

本文为臭皮匠试验室观点。转载请请注明出处。

导语：我们已经讨论过电动汽车动力总成中的转矩控制，根据静态特性与动态特性，分别对转矩控制精度和转矩响应时间进行分析，在GB/T18488中有一标准定义与之很像，就是转速控制。转速控制影响了电动车的驾驶性与舒适性，它与转矩控制是怎么联系的呢？究竟怎么评估转速控制？如何测试？为什么要用转速控制呢？

带着这些问题，我们会结合相关标准从以下进行解读：

1.?转速控制相关指标

2.?转速控制相关测试

3.?转速控制方式与应用

1.?转速控制相关指标

在《GB/T?18488.1-2015-电动汽车用电机及其控制器第1部分-技术条件》3.10和3.12中分别给出了转速控制的相关指标：

解读：以一个典型响应为例，看一下转速控制的响应历程，找到响应的标准定义：

其中，Spd_Req为需求转速，Spd_Real为实际转速，T0时刻系统接收到请求转速的指令信息，经过一段延迟时间T_Delay，实际转速达到需求转速的10%，再经过一定的上升时间T_Rise，实际转速达到需求转速的90%，转速再上升到最大值随后减小（其中，最大值与最小值之间是转速动态偏差Spd_Dynamic_Dev)，就这样实际转速沿着需求转速上下波动，经过T_Dyn，到达T1时刻，实际转速的波动范围到达容差范围内，这个容差范围也就是转速静态误差Trq_Steady_Dev，根据静态误差，可以算出偏差的百分比，这个过程中转速响应时间为T_Delay+T_Rise+T_Dyn。

通常，对具有转速控制功能的驱动电机系统，转速控制精度应按转速范围分段定义，如<±20rpm@<2000rpm，<±1%@≥2000rpm。但是，对于转速响应时间，按照测试标准，通常在无负载的情况下定义（下一节会说明），驱动电机从静止上升至额定转速的响应时间不高于100ms，但应根据实际整车功能设计，提出更好的带负载测试的标准要求。

2.?转速控制相关测试

《GB/T?18488.2-2015-电动汽车用电机及其控制器第2部分-实验方法》7.3.1和7.4.1?中分别具体地写明了转速控制精度与转速响应时间测试的方法：

解读：重点已经标出，测试标准中设定的条件都是在空载的情况下，如果转速控制器只在这种情况下进行参数校正，不考虑带负载的情况，显然是不充分的。转速控制是电机控制必有的功能，不过现阶段极少使用，还有待开发利用，整车应根据转速控制功能开启的不同场景，进行严格定义，考虑不同电压、电流、转速、温度下更完善的测试。

3.?转速控制方式与应用

在之前的"转矩控制"文章中，已经对基于矢量控制的转矩控制框图进行过介绍，在这个框图的基础上，我们再加上转速控制环：

可以看出，转矩控制其实是转速控制的内环，需求转速与实际电机转速做比较，转速差给转速控制器，得到需求扭矩，进入扭矩控制环，对电机进行控制，实际转速通过旋变得到，形成转速控制闭环。显而易见，由于转速环相对于扭矩环更大一些，速度环同样是通过扭矩控制来实现，因此响应时间也会较长一些。

通常转速控制器为PI控制器，控制器参数需要根据转速的控制精度与响应时间进行校正，不考虑内环的影响，这个转速控制器的设计决定了转速控制的性能。

在纯电动车上，考虑到电机特性和单挡减速器的应用，较扭矩控制而言，转速控制应用较少；但对于多档位的混动车，控制目标不仅仅是要实现多大的扭矩，而且要实现某特定的同步转速，此时就要进入速度环，根据换挡策略实现换挡。

同时，在某些特定情形下，这个功能的可玩性还是有的，如定速巡航，在高速运行区间计算整车所需的扭矩范围，针对这个负扭矩，对转速控制器进行调教；如打滑控制，在冰面或者雨后路面，MCU结合ESP相关信号，做出最优的转速控制策略，防止失速；如上下坡，通过转速控制限速等，可以集成很多整车控制器的功能。

4.?结束语

转矩控制是转速控制的一环，影响转矩控制的因素同样也影响着转速控制。目前大部分纯电动车对转速控制功能很少使用，也没有严格要求，但是笔者认为这个功能需求在电动车不断发展的时代会不断强化，在扭矩控制参数设定好的基础上，针对不用的应用场景对转速控制器进行参数调校，提高驾驶的舒适性与操控性。

本文来源于汽车之家车家号作者，不代表汽车之家的观点立场。

新能源汽车永磁同步电机的发展史，究竟是怎样的？

相似之处：

1.它们都是马达

看似废话，我想说的是，电动车的电机只是一种电机，没什么特别的。分析方法逃不过常见的电磁分析方法，计算工具都是有限元软件，仿真求解器都是基于瞬态求解器，电磁方程逃不过麦克斯韦方程。没什么大不了的，是有特殊负载要求的电机。

2.分类和控制是一样的

电动汽车也分为感应电机和永磁电机，控制理论和方法与工业电机没有区别。

差异：

1.严格的体积和重量要求

因为是车载，所以这个要求比较突出。普通工业电机对尺寸和重量没有这么严格的要求，因为工业场地巨大，一般都是先达到工业目标。不同的电动汽车，其尺寸和重量决定了其动力性能和驾驶体验，直接影响产品质量。所以电动车电机的难点在于提高功率重量密度和功率体积密度。电机越小越轻越厉害越好。

2.独特的扭矩特性

启动或低速时需要超高扭矩，这样汽车的速度才能以最快的方式提高到所需的速度。通用工业电机没有这么高的启动速度要求。同时，需要在高速时提供足够的动力，使汽车能够高速巡航。

3.调速范围宽

最大速度可能是电机基本速度的四倍甚至更高。目前电动车的最佳解决方案是省去多速变速箱，只使用固定齿轮组。这样电机的转速范围越宽越好。以特斯拉的S型为例，电机最高转速可以达到18000转/分，相当可怕。这是对电力电子调速器的一个巨大考验。

4.全面的效率要求

与电力机车不同，电力机车由受电弓供电，电动汽车由电池供电，续航里程完全取决于电机效率。电机效率每增加1%，续航里程可增加1%。因此，电机的效率非常高。再高一点就是胜利，每一点能量都要优化。

5.其他人

至于低噪音、高稳定性、合理散热、性价比等等，我就不提了。这些是基本要求。

技术细节：

1.扭矩-速度效率分布图：

电动汽车电机的效率分布图应如下：

电动车电机和工业电机有什么异同？

电动车主要在黄区行驶，不会频繁起步，也不会超高速连续行驶，中间会加速减速。所以对于效率范围来说，**区域最好有更高的效率。因此，我们希望**区域可以在三个方向上延伸，以满足最大的能量利用率。

2.调速曲线：

和普通电机基本类似，区别是恒功率区更宽；最高速度可以达到基本速度的4倍。

3.电机漏磁越小越好！

这与工业电机有很大不同。这主要是感应电机。以直接接入电网的一般工业感应电机为例，转子侧的开槽可以简称为“花式开槽”。有深槽，双槽，斜槽。其中一些设计旨在改善气动特性，一些设计旨在折中低速和高速性能，一些设计旨在减少扭矩波动。但是，这些花式槽都增加了漏磁。电动汽车的电机由逆变器精确控制，因此所有的起动特性都不同于传统电机。因为控制器可以控制启动时的频率和幅度，所以不会有直接接并网电机的缺点。这时候就要求漏磁通量越少越好，槽越浅越宽越好！同时，适当增加气隙宽度，以降低高频谐波分量的阻抗。如果条件允许，尽量用铜鼠笼代替铝鼠笼(高阻)。特斯拉汽车公司的感应电机生动地展示了这些特点：

4.永磁电机

永磁电机主要用于混合动力汽车。混合动力汽车中的电机100%是永磁电机。完美的市场份额。为什么？因为它体积小，重量轻，功率密度高。永磁体分为BLAC(无刷交流)和BLDC(无刷DC)。两个电机结构基本相同，唯一的区别在于控制的电流波形。BLAC是正弦波，BLDC是矩形波。相对来说，BLAC的表现略好于BLDC，但优势不明显。最著名的永磁电机是丰田普锐斯电机：

整机的设计目前已经基本达到了电机设计的极限，可以称之为手工艺。

什么是新能源汽车驱动电机

电动汽车具有低噪声、零排放、高效率、节能、能源多样化和综合利用等明显优势，成为各国发展的主流。随着永磁材料性能的提高和成本的降低，永磁同步电机(PMSM)以其高效率、高功率因数和高功率密度的优势成为电动汽车驱动系统中的主流电机之一。

永磁电机驱动系统

永磁电机不仅具有无刷结构和交流电机运行可靠的优点，还具有DC电机调速性能好的优点。它不需要励磁绕组，可以实现小尺寸和高控制效率。它是电动汽车电机研发和应用的热点。永磁电机驱动系统可分为无刷直流电机系统和PMSM系统。无刷DC电机(BLDCM)系统具有转矩大、功率密度高、位置检测和控制方法简单等优点，但换向电流难以达到理想状态，会引起转矩脉动、振动和噪声等问题。无刷直流电机系统在速度要求不高的电动汽车驱动领域具有一定的优势，得到了广泛的重视和应用。永磁同步电机(PMSM)系统具有控制精度高、转矩密度高、转矩稳定性好、噪声低等特点。通过合理设计永磁磁路结构，可以获得较高的弱磁性能，提高电机调速范围。因此，它在电动汽车驾驶中具有很高的应用价值，受到国内外电动汽车行业的高度重视，在日本得到了广泛应用。是一种理想的电动汽车驱动系统。

1.日本电动汽车用永磁同步电机的现状

日本从1965年开始发展电动汽车，1967年成立日本电动汽车协会。由于永磁同步电机的优异性能，自问世以来一直受到日本汽车公司的青睐。1996年，丰田汽车公司的电动汽车RAV4用东京电机公司的插入式永磁同步电机作为驱动电机，其下的日本富士电子研究所研制的永磁同步电机可达到最大功率50kW，最大转速1300r/min。1998年1月，日产公司开发的新一代电动乘用车在美国加州投入使用。驱动电机用钕铁硼材料，电机体积小。电动汽车驱动电机的技术指标见表2。

近年来，日本电气工程研究实验室与其他公司合作推出了一款内置双层永磁体的永磁同步电机(如图1所示)，提高了电机的横轴电导，增加了电机10%的转矩，增加了10%的最大效率区，电机最大峰值效率可达%以上，主工作区效率可达93%以上。

2.欧洲电动汽车用永磁同步电机的现状

在法国的VEDELIC电动汽车项目中，PSA电动汽车动力总成制造商Moteurleroy-Somer在19年改进了驱动电机。选用的新型驱动电机是三相永磁同步电机。

与传统的DC驱动系统相比，法国用的三相永磁同步电机在以下三个方面进行了改进：①功率密度比和转矩密度比更高；②效率更高；③可靠性提高，维护方便。德国第三代奥迪混合动力汽车的驱动电机用永磁同步电机(PMSM)。最大速度为12500转/分钟，最大输出功率为32kW。

3.美国电动汽车用永磁同步电机的现状

电动汽车在美国的发展比日本晚。在美国，感应电机的设计和控制策略已经成熟，因此感应电机是电动汽车的主要驱动电机。而美国也对永磁同步电机进行了研究，成果突出。詹姆士开发的永磁同步电机。歌迪和凯文。SatCon公司的LeRowR.E用定子双绕组技术，不仅扩大了电机的转速范围，而且有效利用了逆变器的电压，绕组电流小，电机效率高。表4显示了美国SatCon公司开发的电机在不同速度和功率下的效率特性。

太平洋汽车网所谓电机，就是将电能与机械能相互转换的一种电力元器件。当电能被转换成机械能时，电机表现出电动机的工作特性；当机械能被转换成电能时，电机表现出发电机的工作特性。大部分电动汽车在刹车制动的状态下，机械能将被转化成电能，通过发电机来给电池回馈充电。

展开全文近年来，伴随着行业的发展，新能源汽车逐渐被广泛使用，各大厂商也推出了自家的明星产品。电机作为电动汽车最重要的部件之一，各大厂商纷纷选择合宜的电机，运用在自家的产品上。而到底不同的电机有什么差别？又各自被运用到哪些车型上去了？

电动机的发展状态及分类电动汽车经常用的驱动电机有直流电机、异步电机、永磁同步电机和开关磁阻电机四类。最早应用于电动汽车的是直流电机，这种电机的特点是控制性能好、成本低。随着电子技术、机械制造技术和自动控制技术的发展，异步电机、永磁同步电机和开关磁阻电机表现出比直流电机更加优越的性能，这些类型的电机正在逐步取代直流电机。

下表是电动汽车常用的四种驱动电机性能比较：

★直流电动机优点：成本低、易控制、调速性能良好缺点：结构复杂、转速低、体积大、维护频繁特性：在电动汽车发展早期，直流电机被作为驱动电机广泛应用，但是由于其结构复杂，导致它的瞬时过载能力和电机转速的提高受到限制，长时间工作会产生损耗，增加维护成本。

此外，电动机运转时电刷冒出的火花使转子发热，会造成高频电磁干扰，影响整车其他电器性能。因此，目前电动汽车行业已经基本将直流电动机淘汰。

应用代表车型：早期部分车型：

■小结：基本上处于淘汰阶段，应用车型都是早期上市车型。

★永磁同步电机优点：效率高、结构简单、体积小、重量轻缺点：成本较高、高温下磁性衰退特性：所谓永磁，是指在制造电机转子时加入永磁体，使电机的性能得到进一步提升。而所谓同步，则指的是转子的转速与定子绕组的电流频率始终保持一致。因此，通过控制电机的定子绕组输入电流频率，电动汽车的车速将最终被控制。

与其他类型的电机相比较，永磁同步电机最大优点就是具有较高的功率密度与转矩密度，说白了，就是相比于其他种类的电机，在相同质量与体积下，永磁同步电机能够为新能源汽车提供最大的动力输出与加速度。这也是在对空间与自重要求极高的新能源汽车行业，永磁同步电机成为首选的主要原因。

（图/文/摄：太平洋汽车网问答叫兽）