电动汽车用电机及其控制系统的应用与发展
电动汽车电驱系统分类、技术趋势和主流电驱系统介绍
4、电驱动系统的结构形式
（6）外转子电动轮驱动系统
a.采用低速外转子电动机，可完全去掉变速装置。 b.电动机外转子直接安装在车轮轮缘上，电动机转速和车轮转速相等，车轮转速和车速控制完全取决于电动 机的转速控制。 c.低速外转子电动机结构简单，无需齿轮变速传动机构，但其体积大、质量大、成本高。
5、驱动电动机的选择及功率匹配
（1）同步电动机：转子转速与定子旋转磁场的转速 相等。又分为绕线式和永磁式。 （2）异步电动机：转子转速不等于定子旋转磁场的 转速。 优点：结构简单，价格便宜，运行可靠，维护方便， 效率较高。 缺点：功率因数低。 电动汽车用交流异步电动机具有以下特点： （ 1 ）高速低转矩时运转效率高。（ 2 ）低速时有高 转矩，并有宽泛的速度范围。（3）易实现转速超过 10000r/min的高速旋转。（4）小型轻量化。（5） 高可靠性。（ 6 ）制造成本低。（ 7 ）控制装置的简 单化。
7、交流电动机分为：
异步电动机的特点：成本低，可靠性高，广泛应用于大型高速电动汽车中。三相鼠笼式异步电动机功率容量覆盖 面很大，冷却自由度高，环境适应性好，可再生制动，效率高，重量轻。 电动机在10000r/m以上高速运转时，采用一级齿轮减速。 汽车驱动电动机需用新方法设计。 冷却方式：风冷，水冷 异步电动机是多变量系统，电压、电流、频率、磁通、转速相互影响。 异步电动机的调速控制：矢量控制，直接转矩控制，转速控制，变频恒压控制，自适应控制，效率优化控制等。 永磁电动机的分类 根据输入电动机接线端的电流种类可分为： （1）永磁直流电动机 （2）永磁交流电动机（永磁无刷电动机，没有电刷、滑环或换向器） 根据输入电动机接线端的交流波形永磁无刷电动机可分为： （1）永磁同步电动机 （2）永磁无刷直流电动机
车用驱动电机及其控制系统技术与应用讲义
异步电机
3 4 8 2
电动机状态 发电机状态 制动状态
1
0 n n1
0 s 1
Tem 0
0 n1 n
s0
Tem 0
5 6 7
拖动性质转矩
s n
制动性质转矩
n 0 n1
制动性质转矩
1 s
Tem 0
sm
f1 f1' f1'' f1'''
1
T2
0
0
H_ON_L_PWM
T1
H_PWM_L_ON
t
t t t t t
T1 T4 T3
T6 T5
t
t t t t t
60 120 180 240 300 360 420
PWM a
t t t
T1T6 T1T2 T3T2 T3T4 T5T4 T5T6 T1T6
11
无刷直流电动机
T1 T4
t
t t
T1
T4
t
t t
T3
T6
T3
T6
t
t
t
t
Ud
T5
T5 T2
T2
t
60 120 180 240 300 360 420
t
60 120 180 240 300 360 420
0
0
PWM_ON
ON_PWM
t t t t
2
汽车级 -40-125℃ -40-105℃ 175℃ 1000次循环，低温： -40℃，高温：125 ℃ 30000次循环 管芯结温稳差100℃ 10000次循环 壳温温差80 ℃ 200m/s
电动汽车用驱动电机系统现状及发展趋势
电动汽车用驱动电机系统现状及发展趋势我国汽车工业的发展面临着来自能源安全、环境保护和气候变化等可持续发展要求的多重挑战。
随着近几年汽车保有量的快速增加，汽车能源消耗增长呈现加速趋势，进一步加剧了我国石油供需矛盾。
在当前石油资源日益紧张，价格不断攀升的国际形势下，发展电动汽车特别是混合动力汽车是缓解我国石油资源短缺现状的有效途径，也是增强我国汽车工业核心竞争力的重大战略举措。
经过“八五”、“九五”规划的实施，特别是“十五”国家863电动汽车重大专项,我国已实现了官、产、学、研的资源整合,具有了电动汽车用驱动电机系统自主研发能力。
在国家“三纵三横”总体布局中(如附图所示),驱动电机及其控制系统被列为“三横”中的共性技术之一。
附图国家“十五”电动汽车重大专项布局示意2 电动汽车用驱动电机系统的特点及分类电动汽车对驱动电机系统的要求至少包括：（1）基速以下输出大转矩，以适应车辆的启动、加速、负荷爬坡、频繁起停等复杂工况；1/ 5（2）基速以上为恒功率运行，以适应最高车速、超车等要求；（3）全转速运行范围内的效率最优化，以提高车辆的续驶里程；（4）结构坚固、体积小、重量轻、良好的环境适应性和高可靠性；（5）低成本及大批量生产能力。
电动汽车最早采用了直流电机系统,特点是成本低、控制简单,但重量大,需要定期维护。
随电力电子技术、自动控制技术、计算机控制技术的发展,包括异步电机及永磁电机在内的交流电机系统体现出比直流电机系统更加优越的性能,目前已逐步取代了直流电机控制系统。
特别是借助于设计方法、开发工具及永磁材料的不断进步,用于驱动的永磁同步电动机得到了飞速发展。
电动汽车中常用的交流电机主要有异步、永磁、开关磁阻三大类型，其特点如表1所示。
表1 电机比较其中,异步电机主要应用在纯电动汽车(包括轿车及客车),永磁同步电机主要应用在混合动力汽车(包括轿车及客车)中,开关磁阻电机目前主要应用在客车中。
特别是,由于具有高效、高功率密度的特点,目前在混合动力轿车中采用的基本都是永磁同步电2/ 5动机。
电动汽车电机技术研究现状与发展趋势
电动汽车电机技术研究现状与发展趋势近年来，随着环境保护意识的提高和国家对新能源汽车的政策支持力度不断加大，电动汽车市场逐渐升温。
而电动汽车的核心就是电机技术，电机的性能直接影响电动汽车的动力性、耐久性和可靠性。
因此，电动汽车电机技术的研究也成为了车企和科研机构的热门领域。
一、电动汽车电机技术现状目前，电动汽车的电机可分为直流电机和交流电机两大类。
直流电机由于结构简单，易于控制，成本较低等优点，在电动汽车早期阶段得到广泛应用。
而交流电机由于转速范围广、负载能力强、效率高、噪音小等优势，在目前的电动汽车领域中占据重要地位。
目前市场上的电动汽车大多采用永磁同步电机（PMSM）或感应电机（IM）作为动力源。
其中，PMSM的输出功率密度较高，效率更高，且转速调节精度更高。
IM则具有结构简单、成本低、工作可靠性高等特点。
由于两种电机各自的优缺点，车企通常在具体车型中综合考虑功率、转矩、能耗等因素后做出选择。
二、电动汽车电机技术发展趋势1. 高效节能随着环保要求不断提高，电动汽车电机的能源效率、输出功率以及能源利用率都将需要进一步提高。
因此，电机的电磁设计、材料选用、制造和加工等技术将会更趋于精细化、精益化。
2. 结构创新电动汽车电机的重量、体积和复杂性一直是制约电动汽车发展的关键技术。
为了解决这些问题，电机结构创新成为必然趋势，研究人员将会在转子强度、空心转子、轴向通风等方面展开更多研究。
3. 智能化控制通过控制电机相位、路径、电流、温度等参数，实现电机的高效利用和车辆的动力分配、能量管理等都需要优秀的智能控制系统。
未来，越来越多的电动汽车电机将会实现智能化控制，并与车载智能系统逐步融合。
4. 联网交互随着汽车信息化的加速发展，未来电动汽车电机将更多地与车载网络进行交互。
车辆通过上传电机工作状态、能量消耗、车辆行驶状况等参数，对电机进行尽可能准确的计算、分析和优化。
总之，电动汽车电机技术在未来将成为电动汽车发展的关键之一。
新能源电动汽车的电机控制和调节
电机控制系统正逐渐实现集成化， 将多个功能模块集成在一个控制器 中，降低系统的复杂性和成本。
02
电机控制策略
矢量控制
总结词
矢量控制是一种通过控制电机的输入电压或电流，实现电机转矩和磁通独立控制的电机控制策略。
详细描述
矢量控制通过将电机的输入电压或电流分解为转矩和磁通两个分量，分别进行控制，从而实现对电机 转矩和速度的高精度调节。这种控制策略广泛应用于高性能的电机控制系统，如新能源电动汽车的电 机控制系统。
调速系统
01
02
03
机械调速
通过改变电机输入轴与输 出轴之间的传动比实现调 速，具有结构简单、成本 低等优点。
电气调速
通过改变电机输入电压或 电流实现调速，具有调速 范围广、控制精度高等优 点。
智能调速
利用现代控制理论和技术 实现电机最优控制和节能 运行，具有自动化程度高 、节能效果好等优点。
电机驱动与调节系统的优化
能效管理系统的发展趋势
智能化管理
利用先进的传感器、通信和人工智能技术，实现能效管理的智能 化和自适应调节，提高管理效率和准确性。
集成化设计
将电机、电池、热管理系统等部件进行集成设计，优化整体能效 性能，降低系统复杂性和成本。
可再生能源利用
结合太阳能、风能等可再生能源，实现电动汽车的绿色能源供给 ，进一步提高能效和环保性能。
直接转矩控制
总结词
直接转矩控制是一种通过直接控制电机的转矩和磁通，实现对电机转矩和速度进行快速响应控制的电机控制策略 。
详细描述
直接转矩控制通过直接检测电机的转矩和磁通，并采用相应的控制算法，实现对电机转矩和速度的快速调节。这 种控制策略具有快速响应和鲁棒性强的特点，适用于需要高动态性能的电机控制系统，如新能源电动汽车的电机 控制系统。
电动汽车用驱动电机系统发展现状与展望
大 限度 地 集 中 政 府 、 企 业 、 大 学 、 科研 机 构 和社 会
各界的科技 资源 ，如中国科学院 电工研 究所、株 洲
电力机 车 研 究所 、 中 纺机 电研 究 所 、 哈 尔 滨 工业 大
学 、 天津 大 学 、 清 华 大学 、 同 济 大 学 、 华 中科 技 大 学 、上 海 大 学 、上 海 御 能 动 力科 技 有 限 公 司和 上 海 安 乃达 驱 动 技 术 有 限公 司 ， 等 等 。科 研 成 果覆 盖 了 燃 料 电池 轿 车 和 客 车 、 混 合 动 力 轿 车和 客 车 、纯 电
蕊 粪
维普资讯
一 Ｉ＝ 几 Ｊ 技 市 与 开 发 Ｙ－ － Ｖ ｆ Ｉ ｎ
Ｊ ＳＨＵ ＹＵ Ｋ Ｆ ｉ Ａｉ Ａ
形成 了具 有 自主研 发驱 动 电机 系统 产 品 的基 础 能 力 ， 培养 了一 支 初 具 规 模 的研 发 团 队 ，获 得 了一 大 批 电 机 及 其 驱 动控 制 系统 及 相 关 技 术 的知 识 产 权 ，初 步 形成 了 电机 及其驱 动控 制 系统 的样 机生 产 能力 。
车 中起 动 工 况 要 求 高 转矩 。 此 外 ，车 用 电机 的低 噪 声 与低成 本 技术 也至 关重要 。 我 国 电动 汽 车 用 驱 动 电机 系统 经 过 “ 五 ”国 十 家 ‘６ ”计划 的集 中研 发 ，完成 了国 家重 大专 项预 ＇３ ８
（ 高密 度小 型轻量 化。 汽车是 交通工 具 ，要 求 １） 电机 具 有 高 效 率 、 高 适 应 性 ，由 于成 本 及 空 间 的 限
１ 车用 电机 驱动 系统关键 技术研 究与新产 品
开 发 进 展
车用 驱动 电机 系统 是 节 能 与新 能源 汽 车 的 关键 零部 件 ，是 电动 汽 车 动 力 系 统 总成 的 心脏 。 电机 产 业在 中国有 较好 的工 业基 础 ，是 劳动 力密 集型 产 业 ，
电动汽车驱动技术的发展与应用研究
电动汽车驱动技术的发展与应用研究一、引言如今，随着环保意识的加强和能源危机的日益严重，电动汽车得到了越来越多的关注和推广。
此外，作为新能源汽车的代表，电动汽车的驱动技术也正在不断地发展和完善。
本文将对电动汽车驱动技术的发展与应用研究进行阐述和分析。
二、电动汽车驱动技术的发展历程1、传统汽车驱动技术传统汽车的驱动技术主要包括燃油发动机、变速器等。
这些技术因其使用方便、成本低廉而广泛应用，但同时也存在着排放污染大、运行噪音高等问题，这些问题在环保意识不断增强的今天愈发突出。
2、电动汽车驱动技术初期电动汽车最早的驱动技术采用了直接驱动电动机的方式，其优点是输出扭矩大、响应灵敏，但同时也存在着能量利用率低、噪音高等问题。
为了解决这些问题，后来的电动汽车驱动技术逐渐加入了能量回收和变速器等技术，使得电动汽车的性能不断提升。
3、当今电动汽车驱动技术如今，电动汽车驱动技术已经进入到了快速发展和完善的阶段。
最先进的电动汽车驱动技术不仅具备了更高的动力性和节能性能，同时还能通过数据传输来优化车辆的控制性能和驾驶体验。
三、电动汽车驱动技术的分类1、纯电动汽车纯电动汽车采用电动机作为唯一的动力来源，由电池组提供能量。
这种驱动技术的特点是充电周期长，里程短，适合城市或者短途出行，同时由于不产生任何尾气排放也更加环保。
2、增程式混合动力汽车增程式混合动力汽车是在纯电动汽车的基础上增加了一个发电机组，并将其与电动机连接起来，用来提供额外的能量以延长电池的续航里程。
该技术继承了纯电动汽车的优点，同时克服了其里程短的劣势。
3、插电式混合动力汽车插电式混合动力汽车结合了传统的汽油发动机、电动机和电池组的优点。
电动机和电池组作为主要驱动力和能源来源，而传统汽油发动机则可以在电池电量不足时为电动机补充动力，同时也可以在需要时为电池组充电，为电动车提供更高效的驱动体验。
四、电动汽车驱动技术的应用研究1、车载控制技术车载控制技术是电动汽车驱动技术应用研究的一个重要方向。
探讨新能源汽车电控技术的发展现状和趋势
探讨新能源汽车电控技术的发展现状和趋势1. 引言1.1 新能源汽车电控技术的重要性新能源汽车电控技术的重要性在当今社会日益凸显。
随着全球能源危机的日益加剧和环境污染问题的愈发严重，新能源汽车电控技术的发展已经成为全球绿色能源领域的热点之一。
新能源汽车作为未来交通的主力军，其电控技术的先进性将直接影响汽车性能以及能效，同时也关系到能源利用的高效与否。
通过不断的技术革新和研发，新能源汽车电控技术可以实现能源的智能管理，提高车辆的动力性能和能源利用率，为环境保护和节能减排做出积极贡献。
新能源汽车电控技术的重要性还体现在其对汽车安全性和可靠性的影响上。
随着科技的不断进步，新能源汽车越来越依赖于先进的电子控制系统来实现对车辆各项功能的监控和控制。
而电控技术的稳定性和安全性直接关系到车辆行驶的安全性，因此在新能源汽车设计和生产过程中，电控技术的研发和应用必不可少。
只有通过不断提升新能源汽车电控技术水平，才能保证车辆在日常使用中的安全可靠性，提升用户的使用体验，推动新能源汽车产业的不断发展。
1.2 新能源汽车电控技术的发展背景新能源汽车电控技术的发展背景：随着全球环境问题日益严重，汽车尾气排放成为制约环境可持续发展的重要因素。
传统燃油汽车的排放已经严重污染了大气环境，加快了全球气候变化的进程。
为了应对环境问题，各国纷纷加大了对新能源汽车的研发和推广力度。
新能源汽车作为清洁能源的代表，受到了越来越多消费者的青睐。
新能源汽车的发展，离不开电控技术的支持。
随着科技的不断进步和电子技术的飞速发展，新能源汽车电控技术得到了很大的提升。
电控技术是新能源汽车的核心技术之一，它涉及到车辆的动力控制、能源管理、车载通信等多个方面，是实现新能源汽车高效、安全、可靠运行的关键技术之一。
新能源汽车电控技术的发展背景之一是政府政策的支持。
各国政府相继出台了一系列扶持政策，通过减少购车税、提供补贴等方式鼓励人们购买新能源汽车。
这种政策导向为新能源汽车电控技术的发展提供了良好的市场环境和发展动力。
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汽车电机系统的构成和工作原理
Auto Electric Drive System Description
Battery
Power Electronic Converter
Vin
Motor
Vo - Vin
Sensor Digital Control
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中国电动汽车的发展前景
EV/HEV in China
• 历史性机遇 Historical Opportunities
– 汽车动力电气化已成为汽车技术发展的趋势 Powertrain Electrificaiton is trend for future – “节能减排”的国策鼓励电动汽车及混合动力汽车的大发展 Energy Saving and Emission Reduction is China’s Long Term National Policy
布置空间有限，必须根据具体产品 进行特殊设计 温度变化大（-40 ~ +105oC); 震动剧烈; 很高以保障乘车者安全 通常为水冷（体积小） 需要精确的力矩控制，动态性能较 好 较高（1 – 1.5kW/kg） 极高：既要性能好，又要价格便宜
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C
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电机技术发展趋势：永磁-磁阻同步电机
PM-Reluctance Synchronous (PMRS) Motor
永磁-磁阻同步电机的特点： 永磁 磁阻同步电机的特点： 磁阻同步电机的特点 PMRS Motor Features:
常用交流无刷电机类型 Common Types of AC Motors
A z y
B x 感应电机 • 技术成熟 • 成本较低 • 恒功率调速范 围宽 • 效率较高 • 体积较大 开关磁阻电机 • 结构简单 • 恒功率调速范围宽 • 效率与感应电机类 似 • 噪声大 • 体积比较大 永磁电机 • 体积小 • 效率高 • 恒功率调速范 围不宽
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+
动力总成趋势：电机与变速箱的优化组合 Optimal Combination of Motor and Gears
• 电机尺寸取决于峰值力矩 （而不是功率！）以及电机 的散热能力
Examples of HEV Systems
Battery IPU Battery
IPU
Mild HEV
IPU
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ISG
ISG
Trans.
Trans.
Traction Motor
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速比Size/Weight Reduction in Toyota’s HEV system • 通过采用减速齿轮，在电机尺寸基本不变的 情况下，其功率增加了2.5倍 Prius Peak Torque： 400Nm Max RPM 6000 Peak Power 50kW RX400/CamryHV 333Nm 12400 123kW
电动汽车用电机及其控制系统的应用与发展
Application and Development Trend of Motor Control Systems for EV and HEV
徐性怡博士
上海大郡自动化系统工程有限公司
Dr. Xingyi Xu Shanghai DAJUN Technologies, Inc.
Volume： Weight
RX400 30 Liters 35kg
GS450 11 Liters 20kg
Improved 63% 43%
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电动汽车用电机系统所面临的设计挑战：
– 需要充分理解最差工况以及电机、电力电子器件的能力限制 Fully understand the worst case condition and limitations of motor and power electronics components
•
电磁兼容设计：EMC Design
– 需要从零部件到整车各层次进行统筹设计 Work at Vehicle, system, and component level to limit EMI
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汽车电机与普通工业电机之比较
工业应用 项目 汽车应用
封装尺寸 工作环境 可靠性要求 冷却方式 控制性能 功率密度 总体性价比
空间不受限制，可用标准封装配套 各种应用 环境温度适中（-20~+40oC); 静止应用，震动较小 较高以保证生产效率 通常为风冷（体积大） 多为变频调速控制，动态性能较差 较低（0.2kW/kg） 一般
• 市场将在未来3-5年逐步上量 There will be 3-5 years before the market really ramps up
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混合动力系统实现方案
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电力电子控制器发展趋势
Trend in Power Electronics Controller
• • 新控制器拓扑结构 New topology
– 逆变器+大功率DC/DC 高集成度 High level of integration – ISG控制器+牵引电机控制器 +DC/DC Integration of ISG controller, traction motor controller and Low voltage DC/DC – 电力电子控制器与电池管理模块集 成 Motor controller integrated with Battery Module – 热管理集成设计 Thermal management 新器件 New Components – 高集成度、智能型汽车等级IGBT模 块 Highly integrated IGBT Module with auto grade – 薄膜电容 Thin film capacitors Dajun Confidential, Please do not distribute without written permit
• 弱磁容易，调速范围宽 弱磁容易， Capable of field weakening, wide constant power range • 效率较高 High efficiency • 力矩密度较高 High torque density • 结构复杂，优化设计较难 结构复杂， Hard to design • 由于饱和非线性，控制复杂 由于饱和非线性， Control complexity
Parallel HEV/Plug-in
Battery
Series HEV/Plug-in
ISG
Trans.
Traction Motor
电动汽车应用对电机系统的要求
EV/HEV Requirements for Electric Machines • 结构紧凑、尺寸小 Compact in Size • 重量轻 Light in Weight • 可靠性高 High Reliability • 效率高 High Efficiency • 低噪声、低震动 Low audible noise, Low Vibration • 调速范围宽 Wide Speed Range • 成本低 Low Cost
Design Challenges for EV/HEV Motor Drive Systems
• 整车重量和封装尺寸：Vehicle weight and packaging size constraint
– 采用永磁-磁阻电机 Use of PM-Reluctance Synchronous motor
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内容提要 Outlines
• 电动汽车的发展趋势以及对电机系统的要求 EV/HEV trend and requirement for electric drive systems • 电动汽车用电机系统技术及其发展趋势 Description and development trend in electric drive systems • 电动汽车用电机系统面临的挑战与对策 Challenges and solutions for electric drive systems • 大郡简介 Brief overview of Dajun