电驱动在汽车工程中的应用

电驱动用于各种运输车辆。下面探讨非轨道运输人员和货物的汽车电驱动。电动机驱动汽车和唯一的从随车携带的动力型蓄电池是电动机的驱动能量。

因为电动汽车在使用地区没有有害物质的排放，所以它的优点是既没有废气排放，又不需要充灌和储存燃料。这个优点不随汽车老化和技术状态变化而变化。

驱动电动汽车的电能主要由使用古生物能量的发电厂提供，同样存在着发电厂的有害物排放问题。为地区和全球性作出降低有害物排放贡献的电动汽车最终取决于发电厂的有害物排放。

现代发电厂的优点是很高的能量转换效率和可用的、或可容易建立的给电动汽车充电的供电基础设施。

此外，电动机具有高的效率，还可以在电动汽车制动过程中回收能量。

电动汽车低速行驶时声音特别轻。

电动汽车的缺点是购置成本高、行驶里程有限、蓄电池充电时间长，所以电动汽车的可用性受到限制。

19世纪末以来，早在内燃机汽车问世前，电动车辆就一直在使用^[1]。20世纪初，电动汽车很快被内燃机汽车替代。开发现代电动汽车的新的冲动源于20世纪70年代的石油危机和以后的加利福尼亚零排放汽车（ZEV）立法。1990年第一版的这个法规要求，1998年车型年起加利福尼亚的汽车要实现无有害物的排放标准。这只能转而使用蓄电池驱动的汽车或者使用氢气—燃料电池汽车才能达到这个要求。直到20世纪90年代末，所有大型汽车生产厂家致力于研发电动汽车。在此前，由于燃料电池汽车而推迟了电动汽车的研究。随后几年，ZEV法规也作了多次变化^[2]，并仍旧在讨论中。2003年4月的ZEV版本允许除纯“ZEV”汽车外，可以有一些很低有害物排放的其他汽车。这些汽车同样具有ZEV的信誉。ZEV立法规定下列的汽车分类：ZEVs。

绝对无有害物排放的汽车包括电动汽车和氢气—燃料电池汽车。电动汽车按行驶里程和最大车速还可分为：

1）PZEVs：“部分的ZEVs”，装备内燃机的汽车具有特别低的有害物排放和长时间的排放稳定性。

2）AT PZEVs：“现代技术PZEVs（Advanced Technology PZEVs）”有与PZEVs一样的低有害物排放，并附加电驱动。

实际上这是一种超低有害物排放的混合动力汽车。它装备H₂内燃机，可能还有带甲醇—H₂转换器的燃料电池。

综合的法规规定，按汽车生产厂家在加利福尼亚的市场份额，ZEVs、PZEVs和AT PZEVs所占的百分比是不同的。大型汽车生产厂家从2005年开始必须有10%的“等量ZEV”汽车进入加利福尼亚市场，2018年提高到18%。汽车生产厂家有灵活分配ZEVs、PZEVs和AT PZEVs的权利。但大型汽车生产厂家愿意提供燃料电池汽车作为ZEVs汽车。

1.电动汽车的驱动系统

电动汽车的整个驱动系统^[3]包括：

1）带蓄电池管理的动力蓄电池，一般还有车载充电器。

2）电控（逆变器）电动机和冷却装置。

3）必要时还有变速器，包括差速器。

4）将力传递到驱动轮上的传动系。

图4.3-1 电动汽车动力装置布置

此外，还有如转向辅助、制动辅助、加热（采暖）和空调设备等辅助装置。辅助装置的用电必须与整车用电匹配。可充电的动力型蓄电池需要充电器。充电器可以是固定式的或车载式的。为将力传递到驱动轮上，传动系可以有各种配置（图4.3-1）^[4]。最常用的是前轮或后轮驱动，它配置一个中央电动机和一个带差速器的变速器；另外还可选择串联驱动系统，它是在驱动轴上配置两个串联电动机；轮毂驱动是在两个车轮轮毂中配置两个电动机。虽然轮毂电动机要比中央电动机贵，但它有组装（package）的优点，可以有选择地用作前驱动或全轮驱动。

2.电动汽车用的电动机

使用在汽车上的电动机要有宽的转速和转矩范围。电动机几乎是理想的汽车动力。电动机运转声音小、效率高、具有良好的转矩—转速特性（图4.3-2）。可利用电动机在低速时的最大转矩，在高速时还有足够的输出转矩。有一个几乎是等功率的转速范围。图4.3-3是电动汽车用的逆变器供电的异步交流电动机转矩和功率随转速变化的特性曲线。因为电动机可短时过载，所以可在汽车加速过程和短时爬坡时提供额外转矩。它与内燃机的区别是在汽车上不需要多档变速器，大多是固定减速比的简单变速器。

图4.3-2 异步交流电动机效率特性场（包括逆变器）

电动汽车用的电动机采用不同的型式：

1）直流电动机

①直流串励电动机。

②直流并励电动机。

2）交流电动机

①异步交流电动机。

②同步交流电动机。

③永磁励磁同步交流电动机。

④外励磁同步交流电动机。

图4.3-3 逆变器供电的异步交流电动机转矩和功率曲线

3）特殊电动机

①无刷直流电动机。

②横向磁通量电动机。

③切换式（开关式）磁阻电动机。

选择电动机的标准^[6]是结构紧凑、重量轻（功率密度高）、效率高、在宽的转速和转矩范围内控制简单、可过载、噪声辐射小、成本低、很少需要维护。

（1）直流电动机　过去的电动汽车主要使用直流电动机。目前直流电动机作为现代电动汽车的驱动动力已没有多大价值。直流电动机直接由动力型蓄电池提供直流电。直流电动机可分串励和并励两种直流电动机^[7]。

电动汽车实际上只用并励直流电动机。定子中的励磁线圈产生磁通量。在转子（电枢）上利用电刷（换向器或整流子）输送直流电。转子的转动在电枢绕组中引起方向交变的电流。电枢电流和磁通量调节器（振动变流器）直接由蓄电池供电并调节电枢电流和磁通量。

从技术上看，直流电动机由于控制简单而价廉。缺点是必须要有电刷换向器，且必须经常维护。由于换向器上圆周速度的限制，直流电动机的最高转速约在7000r/min，效率和功率密度也受到限制。

（2）交流电动机　当前，电动汽车主要使用交流电动机^[8]。

利用逆变器可以将动力型蓄电池的直流电压转变为频率和幅值可变的交流电压。三相绕组分布在定子槽中。定子绕组产生旋转磁场。交流电动机可分同步和异步两种类型。它们的区别在于不同的转子结构形式，使转子随定子磁场同步或异步转动。

在异步交流电动机或感应电动机中，转子可作为集电环转子或笼型转子。在集电环转子中转子槽内有三相交流绕组，通过集电环和电刷与外部电路连接。集电环需要维护，在电动汽车上没有采用。笼型转子中的转子槽为铝、铜或黄铜，在槽两端与短路环连接。异步交流电动机的原理是基于这样的现象：在不同的转速（异步），在转子和旋转的磁场间，转子中的三相绕组感应出三相交流电压。电流经短路的转子绕组杆流出。这样，在磁场中产生作用在转子上的力（转矩）。

在同步交流电动机中，有永磁励磁和外部励磁同步交流电动机两种型式。在外部励磁的同步交流电动机中，直流电流流过装有绕组的转子并磁化。改变转子磁场（励磁电流），可以扩展最大的等功率范围。不过，外部励磁的同步交流电动机至今还很少用在电动汽车上。

在永磁励磁同步交流电动机中，用永久磁铁产生转子磁场。这样，在转子中不需要为建立磁场而提供额外的能量，所以这种电动机效率高。永磁励磁同步交流电动机有外转子和内转子两种型式，它们属于“永磁励磁同步交流电动机型式”。在多极数时能提供更高的转矩。

笼型三相交流电动机的优点是结构紧凑、坚固（免维护）。最高转速可达15000r/min，效率比直流电动机高。永磁励磁异步交流电动机具有最高的效率。该电动机的高控制费用由于功率半导体器件的进一步发展而不断降低，目前已不再看成是缺点。

（3）特殊电动机　无刷直流电动机属于特殊电动机。其原理是永磁励磁、没有换向器的直流电动机，利用逆变器换向。逆变器将脉宽调制的直流电输送给定子绕组。从结构上看，这种特殊电动机类似于永磁励磁的同步交流电动机。

横向磁通量电动机^[9]与常规电动机的区别是控制横向磁通量。利用同轴的环形线圈将磁通量控制在与运动方向垂直的方向（横向）、将电流控制在圆周方向。而环形线圈可将电流引向圆周方向，而且被轴向磁通量方向的多极磁回路包围。每相需要带相应的电流整流器的固有的定子/转子系统。在驱动汽车时至少要有两个定子/转子系统。横向磁通量电动机的特征是在宽的转速、转矩范围有很高的效率、可达到高转矩密度和结构紧凑，因此用作轮毂驱动的电动机（不需变速器，可直接驱动）。

缺点是结构复杂、需要高能磁铁，使这种电动机的制造成本高。(www.xing528.com)

切换式（开关式）磁阻电动机^[9，10]也属特殊电动机。其特点是结构简单、无刷、在转子中没有磁铁和绕组。转子为齿轮状，并由软磁材料（如钢）制成。电动机利用转子和定子中的不同极数工作。每个定子极有一个励磁线圈。多个定子绕组电气连接以组成每一相的北/南极对。直至转子极与定子极相互对准，每一相被单极性励磁，即只是在每一相线的电流流动方向励磁。顺序励磁每一相可使电动机连续转动。

由于结构和控制简单，磁阻电动机坚固、价廉。在宽的转速和转矩范围具有高的峰值转矩和良好的效率。至于扭转波动产生的噪声可采取机械设计措施或相应的控制措施解决。

3.逆变器

电动汽车中逆变器^[11]的任务是从动力型蓄电池供电给驱动电动机和按汽车行驶意愿控制驱动电动机，以及将制动能量反输给蓄电池。这里要考虑逆变器的工作边界，即蓄电池电压和功率、制动控制系统的牵引状态和电动机与逆变器的温度。

汽车行驶意愿由加速踏板和制动踏板位置、行驶方向（前进/倒退）和行驶速度控制器确定，并通过串接的汽车电控单元转换成设定的转矩。电控单元的控制也是一个工作边界。

按电动机型式，可采用不同的逆变器。直流电动机通常通过直流电调节器直接由动力型蓄电池供电。同步或异步电动机需要一个对称的旋转磁场，以变换电流方向。在变换电流方向时，从原理上逆变器可分为有直流电压中间回路的逆变器（电压特征的或电压型的）和有直流电流中间回路的逆变器（电流特征的或电流型的）两种。由于电压特征的逆变器结构简单、动态性能好而用于现代电动汽车上。

（1）直流电流调节器　直流电流调节器的基本原理是：蓄电池电压以脉冲形式接到驱动电动机上。有源功率器件采用带空载二极管的可截止的晶体管（双极性，IGBT，MOSFET）。

图4.3-4是外励磁直流电动机的电流调节器。电枢电流和磁场电流调节器由动力型蓄电池供电。电枢电流调节器可以控制直流电动机等转矩的基本转速范围。更高转速的转矩控制则要降低磁场电流。在磁场减弱范围，电枢电流调节器完全接通。

（2）带直流电压中间回路的逆变器　电压特征的逆变器（图4.3-5）表示逆变器与外励磁的同步电动机的电路图，主要是一个自控制的交变脉冲校正器和由蓄电池电压产生的频率和幅值可变的旋转磁场电压。为将蓄电池与交变脉冲校正器的高频振动隔离，需要一个电容器。不需要附加费用就可回收汽车的制动能量。交变脉冲校正器可用于同步和异步电动机上。

图4.3-4 外励磁直流电动机的电流调节器

图4.3-5 电压特征的逆变器

逆变器由控制单元控制。控制单元按行驶意愿控制所需的电动机转矩。

表4.3-1是对电动汽车用的各种驱动电动机的比较与评价。没有一种电动机可同时满足所有高目标要求的标准。这只能按具体的应用情况选择较合适的驱动电动机。虽然直流电动机十分成熟，但不太适用于电动汽车。交流电动机和切换式（开关式）磁阻电动机则有好的总体性能。目前，异步电动机有高的技术水平和可用性。如果永磁励磁同步电动机在效率和结构紧凑性上改进，则可作为驱动电动机。

表4.3-1 电动汽车用的各种驱动电动机比较

注：GM：直流电动机；ASM：异步电动机；FSM：外励磁同步电动机；DSM：永磁励磁同步电动机；SRM：切换式（开关式）磁阻电动机；TFM：横向磁通量电动机。

4.动力型蓄电池

动力型蓄电池是电动汽车的最重要部件。蓄电池的内能（能涵）决定电动汽车的行驶里程和蓄电池重量。蓄电池输送的电功率决定电动汽车的行驶功率。另外，动力型蓄电池应寿命长和安全。最后，蓄电池的成本对电动汽车投放市场具有决定性影响。

动力型蓄电池可分为初级蓄电池和次级蓄电池。初级蓄电池（如锌/空气蓄电池）只是一次放电，在完全放电后更换和再生。电化学反应实际上是不可逆的，而次级蓄电池可以反复充、放电。

其他的区别是根据蓄电池的工作温度可分环境（常温）工作温度和高温工作温度（高温蓄电池）。铅、镍/镉、镍/金属氢化物、锌/溴和锂/离子蓄电池为环境工作（常温）工作温度的蓄电池。高温蓄电池可在达350℃温度下工作。高温蓄电池有锂/聚合物蓄电池系统（约80℃）、钠/硫蓄电池系统（约300℃）和钠/氯化镍蓄电池系统（约300℃）。

尽管有不少蓄电池系统，但只有少数几种能实际应用。表4.3-2是最重要的电动汽车用的各种蓄电池系统比较^[12]。相对参考文献[12]，表中的数据是整个的蓄电池系统（包括蓄电池壳体、蓄电池管理和冷却装置）的数据。表中给出的目标值是汽车生产厂家从必要性方面认定的值。

米制能量密度是蓄电池的内能与蓄电池总重量之比，并用因次W·h/kg表示。它是在2h放电中测定的值。电动汽车的行驶里程主要取决于蓄电池的能量密度。

米制功率密度是从蓄电池得到的电能与蓄电池总重量之比，并用因次W/kg表示。功率密度与蓄电池充电状态有关。通常放电到80%。电动汽车行驶功率（最大速度、最大加速度）取决于蓄电池功率密度。需要注意的是表4.3-2给出的功率密度是针对电动汽车的动力型蓄电池。在混合动力汽车上使用高功率密度（和低能量密度）蓄电池。

表4.3-2 电动汽车用的各种蓄电池系统比较

（续）

注：k.A.表示目前没有提供数据或不确切。

蓄电池寿命可分循环寿命和日历寿命。循环寿命表明次级蓄电池可能的充、放电次数，直至蓄电池容量降低到额定容量的80%为止。

日历寿命实际上只是一个经验值。如果蓄电池达不到它的循环限值，则日历寿命就确定为它的寿命。

比能量成本是蓄电池的成本与它的内能之比，用因次/kW·h表示。它与材料成本和制造成本、生产量（件数）有关。表4.3-2中的成本是年产10000～20000件时整个蓄电池系统的成本。

（1）铅蓄电池　很久以来，铅蓄电池用于电动汽车上。由于低能量密度使电动汽车变得笨重、汽车行驶里程也短。铅蓄电池的日历寿命在汽车上使用也一直不满意。尽管铅蓄电池的循环寿命在过去几年有明显增长^[13]，指标中仅功率密度超过目标值。相对低的制造成本而由于有限的寿命而抵消成本优势。因此，在现代电动汽车上难以得到应用。

（2）镍/镉蓄电池　镍/镉蓄电池与铅蓄电池相比有高的能量密度和循环寿命。在一些型号中出现的记忆效应使应用受到限制。如果老是部分放电就会降低蓄电池的可用能量。由于金属镉有毒，这种蓄电池的使用受到限制。当前，这种蓄电池也难于用在电动汽车上。

（3）镍/金属氢化物蓄电池　镍/金属氢化物蓄电池环境兼容，同时，在这时期它不断地挤压铅蓄电池和镍/镉蓄电池使用空间。与镍/镉蓄电池相比，该蓄电池能量密度和功率密度高，循环寿命超过2000次，日历寿命10年。中、长期追求的目标是降低成本。镍/金属氢化物蓄电池在现代电动汽车上经受了考验并经常使用。

（4）钠/氯化镍蓄电池　钠/氯化镍蓄电池为高温蓄电池。在蓄电池内部的工作温度为270～350℃。双壁面真空容器防止热损失。为维持蓄电池温度，需要温度管理。该蓄电池的特征在于高能量密度和有限的功率值，并有足够的寿命。

（5）锂/离子蓄电池　锂/离子蓄电池具有最大的能量密度、很高的功率密度和高的充、放电效率。它是现代电动汽车上很有前途的蓄电池系统，但需要监控蓄电池的各个室（格）和充电平衡。这时期，一些汽车生产厂家正在规划在电动汽车上使用新一代的锂/离子蓄电池。

（6）锂/聚合物蓄电池　锂/聚合物蓄电池[15]可部分地在较高工作温度工作。蓄电池内部工作温度可达100℃。蓄电池各单格是用薄膜技术制造的，电介质也由薄膜形成。

（7）锌/空气蓄电池　锌/空气蓄电池为初级蓄电池，不能重复充电。锌/空气蓄电池在相对低的功率密度时具有最高的能量密度。

为拆卸（更换技术）和重复制备蓄电池，需要专门的基础设施。因此，直至出现一些示范项目，蓄电池的使用受到限制。

5.超级电容器

超级电容器或双层电容器^[16]是特殊的电介质-薄膜电容器。它是能短时满足峰值功率需要的高功率储能器。由于能量密度很低，没有用作电动汽车上的动力型蓄电池。通过特殊的铝膜的炭涂层（电极），在有机电介质与两个电极之间形成非常薄的电荷层。这样，在致密的超级电容器中有几千Fa（法拉）的电容。所用的有机电介质允许各个电容器只在2～3V电压范围。所以各个电容器必须串联起来才能形成超级电容器。

现代超级电容器功率密度为1000～10000W/kg，它可以达到蓄电池无法达到的功率密度，但能量密度受到很大限制，约为5W·h/kg。超级电容器可作为短时高功率充、放电过程的能量储存器。充、放电效率可达95%，寿命为10年或500000次充、放电循环。超级电容器几乎没有用在电动汽车上。但在燃料电池驱动和混合动力驱动中已经使用超级电容器。

6.充电器

电动汽车要在夜间充电。汽车上一般配有车载充电器（AC/DC变换器），充电器有导电的和感应的充电器两种。在这期间采用导电充电技术。在加利福尼亚空气资源委员会（CARB）宣布这项技术作为标准以后，导电充电技术获得承认^[17]。车载充电器的充电效率与所用的电源电压和允许的最大电流有关。为使电动汽车在5～6h充完电，至今使用7kW的车载充电器（230V、30A、单相）。

7.前景

在日益严格的排放法规和在美国零排放要求的背景下，在20世纪90年代研发的现代电动汽车正取得进展。研发出有效的动力型蓄电池和电驱动技术，使电动汽车行驶功率显著增加，加速性能和最高车速表明电动汽车可全天使用，其行驶里程可达200km。但从使用者角度，电动汽车有限的行驶半径和重量较重是一个不可逾越的障碍。还有就是它的制造成本高。

电动汽车又是环境友好的交通工具，这是一个无可争辩的优点。它的驱动方式一直会展现出很好的前景。目前一些汽车生产厂家正在研发新一代城市用的、行驶里程在100～200km的较为紧凑的电动汽车。

市场上是否会出现小型的电动汽车，主要取决于何时能提供高效、低成本、长寿命的动力型蓄电池和能源成本的趋向^[18]。对美国市场提出的问题包括加利福尼亚的“ZEV市场”如何发展？何时才能向用户提供有吸引力的ZEV汽车？

参考文献