电动汽车驱动系统的研究现状与发展趋势

温传新，王培欣，花 为

(1.国电南瑞科技股份有限公司，南京 210032；2.东南大学 电气工程学院，南京 210018)

0 引 言

第二次工业革命中发明的燃油汽车，加快了社会中人员、物资、信息等的流动，提高效率，节约时间，促进社会的快速发展，具有里程碑式意义。汽车带给人类便利的同时，消耗了大量的不可再生自然能源，汽车尾气的排放又加剧环境污染。所以在全球倡导节能减排、保护环境的浪潮中，大力发展和推广应用电动汽车代替传统燃油汽车，对减缓环境污染，节约自然能源，实现社会可持续发展具有重要意义[1]。

目前，为保证能源安全、治理汽车尾气污染、保护环境，全球各国政府都在积极参与新能源汽车的发展，并出台相关的政策与法规，鼓励新能源汽车的研究与大规模应用。英国、法国、美国加州等国家和地区相继公布了停售传统燃油汽车的时间，在国际社会大力发展新能源汽车的背景下，我国将于2035年全面禁止发售燃油汽车。也就是说，至二十一世纪中叶，燃油汽车将在全球大部分国家停止销售，汽车产业将进入新能源汽车时代。迄今为止，全球汽车制造商已经推出了多种民用电动汽车产品，其中专注于电动汽车技术研发的代表有美国特斯拉(Tesla)、中国蔚来(NIO)以及正在研发中的法拉第未来(Faraday Future)，而传统汽车制造商也相继向电动汽车方向转型，代表有国产比亚迪(BYD)、日本丰田(TOYOTA)、德国宝马(BMW)等。所以，电动汽车将会进入高速发展的时代。

电动汽车是集机车技术、驱动控制技术、电机及计算机技术、电化学技术以及能源与新材料技术于一体的高新技术、高度集成的工业化产品，具有无污染、低噪声、效率高等特点[2]。本文通过查阅近年来电动汽车产业有关文献，从电动汽车结构、驱动电机以及驱动技术等角度总结了电动汽车的发展现状，讨论了电动汽车驱动技术存在的问题和解决策略，并对电动汽车驱动技术的发展进行了展望。

1 电动汽车的发展

事实上，世界上第一辆电动车的发明于1834年，比世界上第一辆燃油汽车的发明(1886年)早半个世纪。早期的电动汽车采用干电池作为电源，直流电动机作为驱动电机，其实用性不高。随着可充放电的二次电池的发明，电动汽车的实用性得到大大提高，并成为19世纪下半叶重要的交通运输产品。

图1 十八世纪的电动汽车

但是，当时由于交流电机尚未出现，电池技术、电力电子技术、电机加工技术、控制调速理论等技术的落后与不完备，限制了电动汽车的发展。此外，随着石油的大量开采以及内燃机技术的迅速发展，燃油汽车以压倒性优势强势崛起，成为近现代主要的交通工具。

二十世纪后半叶，随着交流电机的出现以及电机理论的完善，功率电子器件与整流逆变技术的发展，电机控制理论与交流调速技术的不断进步，电动汽车的缺点比如续航里程低、速度低等得到改善，电动汽车重新进入大众的视野。特别是二十一世纪以来，随着全球环保意识的不断增强，电动汽车技术得到广泛的关注，电动汽车技术不断完备，在全球汽车领域所占的份额越来越大。

2 电动汽车电驱系统

电动汽车中，“电池、电机、电控”是其三大关键技术，其中电池技术相对独立，电机与电控结合比较紧密[2]。电动汽车电机及其驱动控制系统(简称电驱系统)的技术水平直接影响着电动汽车的整车性能，是衡量电动汽车质量的重要指标之一。就电动汽车动力总成系统而言，现有的电动汽车驱动方式主要有集中式驱动和分布式驱动两种。

2.1 集中式驱动

电动汽车集中式驱动系统就是采用高功率密度的驱动电机取代传统汽车的燃油发动机，同时保留大部分传统汽车原有的整套机械传动、制动系统。集中式电驱系统的电动汽车结构如图2所示。该类集中式电驱系统在动力结构上继承了传统汽车的变速箱、差速器以及传动轴等机械部件，对整车动力系统布局改动较少，控制技术相对成熟，是现阶段电动汽车的主流驱动模式。集中式驱动系统采用的驱动电机为传统内转子电机[3-5]，比如丰田普锐斯[6-7]所采用的驱动电机转子为V型内置式永磁体结构，如图3所示。

图2 集中式电驱系统结构

图3 丰田电动汽车驱动电机

2.2 分布式驱动

电动汽车分布式电驱系统的显著结构特点是将多个驱动电机直接安装在车轮侧，并将驱动、传动、制动装置都整合在一起，省去了离合器、变速器、差速器等机械传动总成，能显著减小车辆簧载质量、缩短机械传递链和提高传动效率，同时大大简化电动汽车底盘结构[8-9]。分布式电驱系统又分为轮毂电机驱动与轮边电机驱动两种。轮毂电机驱动是将动力、传动和制动装置都整合到轮毂内，使电动车辆的机械部分大大简化[10]。而轮边电机驱动是将驱动电机装在车轮内侧通过传动轴单独驱动该车轮，而不是集成在车轮内。轮毂电机驱动系统一般采用外转子驱动电机(图4)，轮边电机驱动系统采用与集中式驱动相同的内转子驱动电机，但其功率要比集中式驱动小得多。分布式驱动系统结构如图5所示。采用分布式驱动系统的电动汽车可以根据不同的驱动要求，灵活采用“前轮驱动”、“后轮驱动”以及“四轮独立驱动”等多种模式，还可以通过左右车轮的不同转速或反转实现类似履带式车辆的差动转向，对于特种车辆具有较高的应用价值。

图4 轮毂电机拓扑结构

图5 分布式电驱系统结构

3 电动汽车驱动电机

3.1 电动汽车驱动电机分类

电机是电动汽车电驱系统的关键核心部件，其性能的优劣，是衡量电动汽车是否具备优良动力性能的关键因素之一。根据电动汽车驾驶性能包括加速性能、最大车速、爬坡能力等的要求，以及车辆性能(车重、载重等)和车载能源系统的约束，电动汽车用驱动电机与工业电动机有明显区别，通常要求电动汽车驱动电机具有较高的过载能力以满足短时间加速和爬坡需求；高效率和高功率密度以降低车重，延长续航里程；可控性高、稳态精度高和动态性能好以满足汽车的协调运行。目前电动汽车采用的驱动电有直流电动机、PM无刷直流电动机、开关磁阻电动机、交流感应电动机、永磁同步电动机等[16]，如图6所示。电动汽车电机及其应用车型如表1所示。

表1 电动汽车用电机分类

直流电动机控制简单，通常采用他励直流电动机和串励直流电动机，早期的电动汽车普遍采用此类电动机。但是直流电动机可靠性低、设备维护困难，随着交流电机的开发和调速技术的发展，电动汽车用直流电动机逐渐被性能更加优越的开关磁阻电动机、交流感应电动机和永磁同步电动机取代。

开关磁阻电动机定子与转子皆有普通硅钢片叠压而成的双凸极结构，具有结构简单、成本低、可靠、起动性能好(无过大的冲击电流)、同时具备交流感应电动机变频调速和直流电动机调速的优点[11-13]。但是开关磁阻电机磁极端部有比较严重的磁饱和以及磁极和沟槽的边缘效应，转矩波动大且经常引起噪声问题。

图6 电动汽车驱动电机主要结构

交流感应电机主要有三种转子结构：实心转子、绕线转子和鼠笼(一般为铜或铝)转子。实心转子感应电机主要应用于起重设备等场合，机械特性并不适用于电动汽车驱动系统。绕线转子感应电机成本相对较高、维护量大、缺乏坚固性，所以也不适用于电动汽车。鼠笼转子感应电机(主要指铜笼)凭借其成本低、坚固可靠、效率相对较高等优点成为电动汽车驱动电机的一种选择[12]。比如，Tesla前置驱动电机就是采用的铜心鼠笼感应电机，其转子结构如图7所示。

图7 铜心鼠笼转子

永磁同步电机采用永磁体励磁，具有高功率密度、起动转矩大、电流小、调速性能好和效率高等优点[14-15]。对于降低家用汽车量(轻量化)，提高车辆续航里程来讲，永磁同步电机高起动转矩和效率具有很大的优势，如今已成为电动汽车驱动电机的主流选择。然而，永磁同步电机成本较高，高温下永磁体存在退磁风险。

目前，常用电动汽车驱动电机性能如表2所示。

3.2 电动汽车驱动电机结构

3.2.1 永磁同步电机

永磁同步电机具有高功率密度、效率高等优点，有助于降低电动汽车整车质量，提高续航里程、增加汽车内部空间等，是目前电动汽车驱动电机的研究热点。典型的永磁同步电机结构包括表贴式、插入式、径向内嵌式和切向内嵌式四种[17]，如图8所示。但电动汽车特殊的运行环境和条件，要求驱动电机即能在低速运行时有较大转矩输出，高速运行时有较大的输出功率，表贴式、插入式和切向内嵌式永磁电机转子难以满足电机高速运行时结构强度要求，所以电动汽车永磁同步驱动电机多采用径向内嵌式永磁同步电机。比如宝马i3(图9)、丰田puris等电动汽车永磁同步驱动电机均采用的是径向内嵌式永磁同步电机。

图8 典型转子永磁型电机结构

图9 宝马i3驱动电机结构

文献[18]中，作者研究了内置式永磁电机四种不同转子永磁体布置结构对定子铁心损耗的影响，发现通过增加转子永磁体层数可以降低转子磁动势谐波以减少定子铁心损耗。通过增加第一层永磁体深度和不同层永磁体之间的距离可以增加承载电枢反应磁通的硅钢材料面积，从而降低永磁体涡流损耗[19]。通过过设置不同形状的磁极以及多种形状刺激的组合，比如△+U型永磁体转子(图10)，可以降低谐波含量，减小铁耗，提高电机效率[19]。

图10 转子永磁体损耗密度

文献[20]提出一种新颖的转子永磁型同步电机(图11a)，其转子上永磁体具有相同的充磁方向，如图11所示。该电机的运行原理类似于磁通切换电机，但是相比于传统的磁通切换电机，该电机具有较小的齿槽转矩、较高的弱磁能力等优点[21-23]。文献[24-27]提出用于电动汽车轮毂电机的外转子电机(图11b)，进一步拓宽了该类电机在电动汽车驱动系统的应用。

图11 转子永磁型磁通切换电机

3.2.2 新型永磁电机

传统永磁电机电枢磁场与永磁磁场相互耦合较大，永磁体退磁风险较高；永磁体位于转子侧，高速运行需要考虑转子导磁桥的机械强度；分布式绕组端部较长，增加铜耗且使电机轴向长度大，电机体积较大[28]，一定程度上限制了永磁同步电机在电动汽车领域的应用。而定子永磁型同步电机因为其转子结构简单，机械强度高，适合高速运行；空载感应电动势正弦度高，电枢磁场与永磁磁场并联，电枢反应较小；采用集中绕组，端部长度小，有助于减小电机体积等优点，得到广泛的关注[29-31]。

定子永磁型同步电机包括双突极永磁电机(DSPM)、磁通反向永磁电机(FRPM)和磁通切换永磁电机(FSPM)三种，如图12所示。不同于传统永磁电机永磁体置于转子侧，转子散热能力差，易导致永磁体退磁，定子永磁型同步电机永磁体和电枢绕组均置于定子侧，易于对永磁体和绕组进行直接冷却，所以适合于电动汽车领域。除了上述三种基本结构的定子永磁型同步电机之外，定子电励磁以及定子混合励磁同步电机也得到学者的关注，并对其应用于电动汽车进行了探索[32-33]。

图12 定子永磁型电机结构

3.3 电动汽车控制技术

电动汽车运行环境复杂，所以对其驱动系统要求较高，比如起动和爬坡时要求低速高转矩，巡航要求高速低转矩，车辆超车时具有瞬时超负载能力。传统的线性控制，如PID，不能满足高性能电机驱动的苛刻要求。近几年，出现了许多先进的控制策略，适用于电动汽车驱动电机的控制策略的发展，包括自适应控制、变结构控制、模糊控制和神经网络控制等。

自适应控制包括自调节控制和模型参考自适应控制，相比于传统的PID等控制方式，具有无需调制器、动态响应快、非线性控制等优点[34-35]。根据被控对象的数学模型来预测未来系统状态的变化，并对每个预测状态进行评估，选出能使代价函数取最小值的控制动作作为控制器的下一个输出。

变结构控制通过系统提供不敏感的参数特性，规定动态误差并简化所执行的操作。通过一系列的开关控制原理，系统在预先设定的轨道相平面内运行，而不管系统参数的变化，具有鲁棒性好、可靠性高等特点。

模糊控制和神经网络等新技术也被引入驱动电机控制领域。模糊控制实质上是一种语言过程，它基于人类行为所使用的先前经验和试探法则[36]。利用神经网络控制策略，控制器有可能解释系统的动态行为，然后自学并相应地进行自我调整。此外，先进的控制策略还能结合其他控制策略形成新的控制模式，比如自适应模糊控制、模糊神经网络控制、模糊变结构控制等。

4 电动汽车驱动系统现存问题与策略

虽然电动汽车驱动技术近年来得到高速的发展，到目前为止，其驱动技术依然存在着许多亟待解决的问题。

4.1 永磁体退磁

永磁同步电机永磁体的热退磁问题一直是永磁电机研发过程中的热点和难点。特别是电动汽车用永磁同步电机，因为其驱动系统结构紧凑，速度快，电机发热较高，极易引起转子永磁体退磁。

文献[37]提出除通过对永磁电机转子结构进行优化的方法来预防退磁；文献[38]对“一”字型“V”字型、双层永磁体三种不同布置方案的永磁体退磁现象就行了比较，结果表明双层永磁体布置结构的永磁同步电机具有较高的抗退磁能力；文献[39]对永磁同步电机驱动系统提出一种优化控制策略，该方法通过识别最佳的弱磁电流来调整铜损和铁损，使永磁同步电机在整个工作范围内降低损耗。

对于永磁电机退磁问题的主要策略有：①考虑永磁体退磁对永磁同步电机转子结构做进一步优化。②采用抗退磁能力更强的永磁同步电机转子永磁体布置结构，提高永磁同步电机抗退磁能力。③研发更高性能的新型永磁体材料，提高永磁体抗热退磁能力。

4.2 驱动电机温升问题

由于电动汽车驱动电机运行工况复杂多变，驱动电机极易出现冷却和散热不足导致电机温升过高，从而影响整车性能。

电动汽车驱动电机采用水冷结构，水冷系统的水路结构对电机散热有较大影响，文献[40]对比“Z”字型和周向螺旋形水路的散热能力，结果表明“Z”字型水路有更强的散热能力。S.C.Kim[41]等采用在空气冷却结构壳体表面开设冷却槽的方法，使轮毂电机散热面积变大，冷却效果有所提升。

针对电动汽车温升的主要解决方案有：①设计更加合理的电机结构，降低电机热损耗，从而降低电机发热。②设计更加合理的水道结构，增加电机散热能力，降低电机温度。③采用更加合理的冷却模式，比如水冷与风冷相结合的方案等。

5 结语和发展趋势

本文叙述了电动汽车的发展、电动汽车驱动系统结构、驱动电机的特点与选型以及驱动控制方法，重点分析了电动汽车永磁同步驱动电机的新型结构与特点。总体而言，经过近年来的研究与技术发展，电动汽车驱动技术基本满足现今电动汽车驱动的基本技术指标。而且随着未来电动汽车技术的提升，成本的不断降低，环保高效的电动汽车取代传统燃油汽车是大势所趋，发展前景广阔。

但是，电动汽车作为一种新兴事物，其驱动系统仍有许多问题和关键技术有待更加深入的研究：

(1)高功率密度、高效率永磁同步电机技术。电动汽车用高功率密度、高效率永磁同步电机有助于降低整车质量，提高续航里程，对于电动汽车驱动系统来讲具有重要意义。如何生产更高功率密度、高效率的永磁同步电机，这不仅仅是电机拓扑结构设计的问题，更涉及到电机磁性材料、加工工艺等先进技术，例如开发更低损耗硅钢、高性能磁钢等磁材料以及成型绕组、磁钢定位封装等先进加工技术。

(2)集成化、智能化和数字化。集成化可以有效的降低驱动系统体积，这对电动汽车有限空间来讲非常重要。其次，随着人工智能等技术的发展，智能化、数字化电动汽车驱动系统将会得到进一步的发展，比如无人驾驶，智能控制等。