純電動汽車驅動電機系統匯報人：XX2024-12-26引言電機主要性能指標直流電機無刷直流電機異步電機永磁同步電機目錄CATALOGUE開關磁阻電機輪轂電機電機控制器驅動電機系統接口純電動汽車傳動系統參數匹配與性能仿真目錄CATALOGUE01引言新能源汽車發展趨勢市場需求增長隨著環保意識的提高和石油資源的日益緊張，消費者對新能源汽車的需求持續增長，新能源汽車在全球范圍內的市場份額逐漸擴大。技術創新推動科研機構和企業不斷加大對新能源汽車技術的研發力度，取得了諸多創新成果，如電池技術的突破、電機控制系統的優化等，提高了新能源汽車的性能和競爭力。國家政策導向政府出臺了一系列扶持政策，旨在推動新能源汽車行業的發展，包括提供購車補貼、建設充電設施等，為新能源汽車的普及創造了良好的政策環境。030201核心地位驅動電機系統是新能源汽車的核心部件之一，其性能優劣直接關系到整個車輛的性能表現，包括動力輸出、行駛效率以及駕駛體驗等方面。驅動電機系統重要性電機作用電機作為驅動電機系統的核心要素，負責將電能高效轉換為機械能，驅動車輪旋轉，進而推動新能源汽車平穩、快速地前進。系統集成度驅動電機系統的高度集成化設計，有效減少了部件數量，降低了整車重量，同時提升了系統的整體效率和可靠性，為新能源汽車帶來了更加出色的性能表現。直流電機直流電機因其結構簡單、技術成熟且控制方便，在早期的電動汽車中得到了廣泛應用。特別是場地用電動車輛和低速電動汽車，直流電機展現出了良好的適應性。異步電機異步電機具有結構簡單、制造容易、運行可靠等優點，在電力、船舶、化工等行業得到了廣泛應用。在電動汽車領域，異步電機也占據了一席之地。無刷直流電機無刷直流電機在保留有刷直流電機優點的基礎上，還實現了電子換向，克服了機械換向的缺點。體積更小、重量更輕，且具有高精度和高效率的特點。永磁同步電機永磁同步電機以其高效、高控制精度、高轉矩密度等顯著優點，在電動汽車驅動領域展現出巨大潛力，備受業界關注，成為最具競爭力的驅動電機系統之一。電機類型與應用02電機主要性能指標電機將電能轉換為機械能，或反之，具相對運動部件，靠電磁感應運行。其性能直接影響電動汽車的驅動效能，涵蓋最高車速、加速及爬坡性能等核心指標。電機功能電動汽車電機多樣，含直流、無刷直流、異步、永磁同步及開關磁阻電機等。每種電機各具特色，適用于不同場景，共同推動電動汽車技術持續進步與發展。電機種類電機基本功能概述額定功率與轉速額定功率：額定功率指的是電機在額定運行條件下，軸端所輸出的機械功率。這個功率等級范圍從1kW到160kW以上，功率等級為1kW、2.2kW、3.7kW、5.5kW等。額定轉速：額定轉速是指電機在額定運行（額定電壓、額定功率）條件下，電機的最低轉速。這個轉速是電機穩定運行的重要參數，影響電動汽車的能效和性能。最高工作轉速：最高工作轉速是指電機在額定電壓下，帶載運行時所能達到的最高轉速。這個轉速直接影響電動汽車的最高設計速度，是電機性能的關鍵指標之一。額定轉矩：額定轉矩是指電機在額定功率和額定轉速下的輸出轉矩。這個轉矩是電機穩定運行的重要參數，影響電動汽車的加速性能和爬坡能力。峰值轉矩是指電機在規定的持續時間內允許輸出的最大轉矩。這個轉矩是電機短時間內的最大輸出能力，反映電機的瞬間加速性能和爬坡能力。峰值轉矩扭矩與電壓規格堵轉轉矩是指轉子在所有角位堵住時所產生的最小轉矩。這個轉矩是電機穩定運行的重要參數，保證電機在負載過大時仍能保持穩定運行。堵轉轉矩額定電壓是指電機正常工作的電壓。電機電源的電壓等級較為多樣，涵蓋36V至600V等范圍，電壓選擇需與電機設計相匹配，確保電機性能與安全性。額定電壓額定電流是指電機在額定電壓、額定功率條件下，電樞繞組（或定子繞組）的線電流。這個電流是電機穩定運行的重要參數，反映電機的負載能力和效率。額定電流電機效率電機效率是指電機在穩定運行條件下，輸出功率與輸入功率之比。這個效率是評估電機性能的重要指標，高效電機能有效減少能量損失，提高運行效率。電機溫升電機振動與噪聲電機運行特性分析電機溫升是指電機在運行過程中，由于內部損耗轉化為熱能，導致電機溫度升高的現象。溫升需控制在一定范圍內，以免影響電機的絕緣性能和壽命。電機振動與噪聲是評估電機運行品質的重要指標。振動幅度和噪聲水平需控制在合理范圍內，以免對周圍環境和電機自身造成不良影響。03直流電機直流電機分為繞組勵磁式與永磁式，前者大功率應用廣泛，后者小功率設備常用。電動汽車據此選擇不同類型，實現高效與動力需求。直流電機分類他勵、并勵、串勵及復勵式直流電機，依據勵磁方式多樣區分。各類型電機性能各異，適用于電動汽車不同需求場景，實現動力與效率優化。勵磁方式分類直流電機類型直流電機結構轉子結構轉子由電樞鐵芯、繞組及換向器構成，鐵芯疊壓硅鋼片，繞組繞制線圈，換向器導電流換向，三者協同實現直流電機能量轉換與穩定運行。定子結構定子含主磁極、機座、換向極與電刷裝置，主磁極建主磁場，機座為框架，換向極優換向，電刷裝置引入引出電樞電流，共筑穩定高效電機系統。直流電機原理定子有N、S極，電樞繞組接換向片，正負電刷接觸。通電產生力，使轉子逆時針轉。換向片作用關鍵，保電流交流但轉矩方向不變。電流與轉矩關系左手定則判斷導體受力方向，形成轉矩驅動轉子。電流改變方向時，電磁力方向不變，確保轉矩穩定，實現直流電機連續旋轉。直流電機工作原理電樞回路電阻控制通過改變電樞回路電阻調速，機械特性軟且不穩定，很少應用。小型串勵電機常用此方式，需優化以提升性能與穩定性。電樞調壓控制改變電樞端電壓控制轉速，恒轉矩調速。需專用可控直流電源，如晶閘管整流器。調速范圍寬，可配合磁場控制優化性能。磁場控制調節勵磁電流控制轉速，恒功率調速。適用于基速以上，效率高但范圍窄。可變電阻或可控整流電源均可作為勵磁電源，實現高效調速。直流電機控制方法04無刷直流電機直流電機特性無刷直流電機，依工作特性分為兩類，一類保留直流電機特性，反電動勢與供電電流均為矩形波，需位置傳感器與電子換向器實現無接觸換向。無刷直流電機類型交流電機特性另一類則展現交流電機特性，反電動勢與供電電流均為正弦波，通過逆變器將直流電轉換為交流電來驅動同步電機，具備同步電機的運行特性。直流電機特性應用主要是具有直流電機特性的無刷直流電機，保留了有刷直流電機的運行特性，同時克服了有刷直流電機機械換向的缺點，具備高效、高精度。電機本體由定子和轉子組成，定子含導磁鐵芯、導電繞組及絕緣材料等，轉子則含永磁體、導磁材料及支撐零部件，共同實現能量轉換與傳動功能。01.無刷直流電機結構電子換向器電子換向器由功率變換電路和控制電路構成，控制定子繞組通電順序和時間，確保定子磁場旋轉與轉子同步，實現無刷直流電機的自控運行。02.轉子位置傳感器檢測轉子磁極位置，為功率開關電路提供換向信息，控制定子繞組換向，確保電機正常運轉，其種類包括電磁式、光電式和磁敏式。03.無刷直流電機工作原理基于位置傳感器感知轉子位置，驅動逆變器功率開關器件，使電樞繞組依次通電，產生跳躍式旋轉磁場。電機工作原理隨著電機轉子的轉動，轉子位置傳感器不斷送出位置信號，改變電樞繞組的通電狀態，保持某磁極下電流方向不變，使電機旋轉。電流方向不變無刷直流電機工作原理有位置傳感器控制在無刷直流電機定子上安裝位置傳感器檢測轉子位置，將磁極位置信號轉換為電信號，為電子換向電路提供換向信息。無位置傳感器控制無需安裝傳感器，通過檢測定子電壓、電流等物理量估算轉子位置，實現無刷直流電機的控制，已成為研究熱點。無刷直流電機控制無刷直流電機應用實例垃圾運輸車性能垃圾運輸車搭載無刷直流電機與72V電池，額定功率7kW，電池組容量180A·h，最高車速50km/h，最大爬坡度15%，滿載續駛里程超120km。垃圾運輸車應用無刷直流電機應用于純電動桶裝垃圾運輸車，適用于城市、居民區、公園等場所的垃圾收集作業，具備大容量電池與高效電機。05異步電機定子部分定子含鐵芯、繞組及機座，鐵芯疊壓硅鋼片，繞組三相對稱，機座支撐并散熱，用鑄鋼或鋼板焊成，大型用鋼板，微型用鑄鋁，封閉式的有散熱筋，防護式有通風孔。轉子部分異步電機結構轉子由鐵芯、繞組和轉軸構成，鐵芯疊壓硅鋼片，繞組分籠式與繞線式，轉軸支撐并輸出機械功率，用中碳鋼制成，定轉子間氣隙影響性能，中小型電機氣隙0.2～2mm。0102異步電機工作原理旋轉磁場當異步電機的三相定子繞組通入三相交流電后，將產生一個旋轉磁場，該旋轉磁場切割轉子繞組，從而在轉子繞組中產生感應電動勢，電動勢的方向由右手定則來確定。電磁轉矩由于轉子繞組是閉合通路，轉子中便有電流產生，電流方向與電動勢方向相同，而載流的轉子導體在定子旋轉磁場作用下將產生電磁力，電磁力的方向可用左手定則確定。異步運轉異步電機的轉子轉速不等于定子旋轉磁場的同步轉速，這是異步電機的主要特點，負載變化時，轉速也變化，以適應負載需要，所以異步電機的轉速是隨負載變化而變化的。轉差率異步電機的轉速與定子旋轉磁場同步轉速有差異，差異大小影響電機性能，轉差率衡量此差異，其值為轉速差與同步轉速之比，表達式為sn=(n1-n)/n1，額定轉差率0.01～0.06。異步電機工作原理異步電機控制方法矢量控制矢量控制理論采用矢量分析的方法來分析異步電機內部的電磁過程，是建立在異步電機的動態數學模型基礎上的控制方法，解耦控制磁鏈和轉矩，實現理想動態性能。直接轉矩控制直接轉矩控制將電機輸出轉矩作為直接控制對象，通過控制定子磁場向量控制電機轉速，無需復雜坐標變換和轉子模型，采用PWM逆變器控制電壓，實現強魯棒性。轉差控制轉差控制是根據異步電機電磁轉矩和轉差頻率的關系來直接控制電機轉矩的，可以在一定的轉差頻率范圍內、一定程度上通過調節轉差來控制電機的電磁轉矩。030201特斯拉電機特拉斯電動汽車搭載的是一臺375V的異步電機，有3種規格，峰值功率分別為225kW、270kW、310kW，峰值轉矩分別為430N·m、440N·m、600N·m。電機特性異步電機能夠忍受大幅度的溫度變化；輸出轉矩可以在大范圍內調整，無需安裝第二套乃至第三套傳動機構；體積小，質量輕，僅52kg，具有重量輕、效率高和結構緊湊的優點。異步電機應用實例06永磁同步電機永磁同步電機結構轉子結構轉子由永磁體、鐵芯和轉軸構成，永磁體分表面式和內置式，鐵芯材料依磁極結構定，含實心鋼、鋼板疊壓等，并裝有位置檢測器以精準控制電樞電流。定子結構定子含電樞鐵芯與繞組，鐵芯由硅鋼片疊壓構成，繞組采用分布短距設計，高效電機更傾向低損耗冷軋硅鋼片，而極數多者常用分數槽繞組以優化電動勢波形。定子三相電流產生旋轉磁場，與轉子永磁體作用，驅動電機同步旋轉，功率角隨負載變化，但轉速嚴格同步于旋轉磁場，確保穩定無失步。磁場互動電機定子三相正弦波電壓產生對稱電流，在氣隙中形成旋轉磁場，與永磁體作用驅動轉子同步旋轉，負載增加時功率角增大，直至極限角度電機停止。電磁轉換永磁同步電機工作原理矢量控制永磁同步電機矢量控制策略簡化旋轉坐標變換，因轉速與電源頻率同步，轉差為零，控制效果受轉子參數影響小，故更易實現矢量控制。直接轉矩控制智能控制永磁同步電機控制直接轉矩控制摒棄矢量控制的復雜坐標變換與轉子磁鏈定向，以轉矩為受控核心，電壓矢量直接調控，結構簡潔，參數魯棒性強。采用智能控制方法的永磁同步電機控制系統，結合傳統PI控制與智能模糊、神經網絡等算法，優化多環控制結構，實現高效精準的速度與轉矩調節。紳寶EV性能紳寶EV搭載大容量三元鋰電池與高效永磁同步電機，峰值功率40kW，轉矩127N·m，匹配減速器，最高車速130km/h，滿電續駛里程150km。寶馬i3實力寶馬i3純電動汽車后置后驅，永磁同步電機最大功率125kW，最大輸出轉矩250N·m，搭載22kW·h電池，加速至100km/h僅需7.2s，最高車速150km/h。永磁同步電機應用實例07開關磁阻電機開關磁阻電機結構多相結構開關磁阻電機有多種相數結構，如單相、兩相、四相及多相等，定轉子極數多樣，低于三相的電機無自啟動能力，目前常用四相8/6極或三相6/4極結構。定轉子結構開關磁阻電機由雙凸極定子和轉子構成，定子、轉子凸極由硅鋼片疊壓而成，定子極上繞集中繞組，兩相串聯成兩級磁極，即一相。凸極旋轉開關磁阻電機的定子和轉子呈凸極形狀，極數互不相等，轉子由疊片構成，帶位置檢測器以提供轉子位置信號，使定子繞組按序通斷，保持電機連續運行。磁阻最小開關磁阻電機的運行原理遵循“磁阻最小原理”，即磁通總是選擇磁阻最小的路徑閉合，鐵芯在移動至最小磁阻位置時，其主軸線與磁場軸線重合。磁阻電感磁阻隨轉子磁極與定子磁極的中心線對準或錯開而變化，電感與磁阻成反比，當轉子磁極在定子磁極中心線位置時，相繞組電感最大，中心線對準時電感最小。轉向控制當定子D-D’極勵磁時，磁力使轉子旋轉至轉子極軸線1-1’與定子極軸線D-D’重合的位置，以使D相勵磁繞組電感最大，從而實現電機轉動控制。開關磁阻電機工作原理開關磁阻電機控制角度位置控制通過調節開通角和關斷角，改變繞組通斷電時刻和電流波形，實現轉速閉環控制，適用于高速場合，但不適于低速場合，因低速時電流峰值大需限流。01040302位置控制低速運行或啟動時，采用電流斬波控制限定電流峰值，防止損壞功率開關器件及電機，直接在每相特定導通位置斬波控制電流，適用于低速調速系統。斬波控制電壓控制通過調節PWM波占空比，改變繞組兩端電壓平均值，進而調節電流大小，實現轉速調節，適用于低速和高速系統，控制簡單但調速范圍有限。電壓控制開關磁阻電機可采用多種控制方式相結合的方法，如高速角度控制和低速電流斬波控制、變角度電壓斬波控制和定角度電壓斬波控制等，根據不同應用場合和性能要求合理選擇。組合控制開關磁阻電機應用實例港口機械在港口裝卸作業中，開關磁阻電機驅動的車輛和起重機展現出優異的性能。其強大的動力輸出和高效的能量回收機制，能夠滿足高負載作業的需求。物流輸送開關磁阻電機因其低噪音、免維護及高效能的特點，在物流輸送系統中發揮重要作用。其精確的控制性和穩定性，確保物流設備在高速運行中。工業自動化開關磁阻電機因其高效能、寬轉速范圍及可靠耐用的特性，在紡織、印染、塑料加工等工業領域展現出廣泛應用潛力，推動工業自動化與生產效率提升。03020108輪轂電機輪轂電機結構形式外轉子式結構：外轉子式輪轂電機采用低速外轉子，最高轉速為1000～1500r/min，無減速機構，車輪轉速與電機相同。結構簡潔，成本低廉，維護方便，適用于對成本。內轉子式結構：內轉子式輪轂電機采用高速內轉子電機，配備行星齒輪減速機構（傳動比約10:1），電機轉速高達10000r/min，車輪轉速約1000r/min，功率密度更高。高速內轉子優勢：高速內轉子輪轂電機比功率高、重量輕、體積小、效率高、噪聲小且成本低，但需減速機構，存在效率降低、非簧載重量增加及電機轉速受限等問題。低速外轉子優勢：低速外轉子電機結構簡單、軸向尺寸小、比功率高、轉矩控制寬、響應快且效率高，但大轉矩時體積重量增加、加速效率低且噪聲大，成本也較高。軸向磁場電機軸向磁通電機熱管理佳，定子無鐵芯簡化結構。其設計促進熱量高效散發，降低整體重量，提升運行效率，適用于需高效散熱及輕量化應用的場景。輪轂電機應用類型徑向磁場電機徑向磁通電機定轉子間受力均衡，磁路由硅鋼片疊壓制成，技術成熟穩定。這種結構特點使得徑向磁場電機在多種應用情境中均展現出優異的性能。永磁同步電機無刷永磁同步電機采用圓柱形徑向或盤式軸向磁場結構，具備高功率密度、高效率及寬廣調速范圍，發展前景廣闊，已廣泛應用于國內外多種電動汽車。異步電機結構堅固耐用，成本低廉，運行可靠，無需位置傳感器，轉速極限高。但驅動電路復雜且成本高，效率和功率密度相對永磁電機較低。異步感應電機開關磁阻式電機具有結構簡單、制造成本低廉、轉速/轉矩特性好等特點，適用于電動汽車驅動。但設計和控制非常困難和精細，運行噪聲大。開關磁阻電機輪轂電機應用類型直接驅動優勢輪轂電機直接驅動方式實現了低速外轉子與車輪的集成化設計，不僅降低了系統復雜度，還提升了整體運行效率。同時，該方式便于整車結構布置與車身設計。減速驅動優勢減速驅動采用了高速內轉子電機與減速機構結合的方式，有效地提升了電動汽車的功率輸出及加速性能。同時減速機構還能降低車輪的噪音并優化電機的負載分布。直接驅動挑戰直接驅動需要電機在低轉速下提供大轉矩，承載大轉矩時需大電流，易損壞電池和永磁體。同時電機效率峰值窄，負載電流易超致效率劇降，需優化懸架系統。減速驅動考量減速驅動雖提升性能，但面臨齒輪噪聲大、潤滑難題及非簧載重量增加等挑戰。需精細設計減速機構與電機匹配，確保高效、安靜運行，并優化整車結構布局。輪轂電機驅動方式特斯拉輪轂電機特斯拉電動汽車采用375V異步電機，功率與轉矩多樣，耐高溫，調整范圍廣，無需多傳動機構。特斯拉的電機驅動系統實現了重量輕、效率高且結構緊湊。北汽紳寶EV動力北京汽車集團有限公司推出的首款B級電動汽車——紳寶EV，搭載大容量三元體系鋰離子動力電池及高效率永磁同步電機，實現強勁動力與良好續航能力。寶馬i3純電性能寶馬i3純電動汽車搭載后置后驅永磁同步電機與22kW·h鋰離子電池，輸出125kW/250N·m強勁動力，實現0-100km/h加速7.2秒，最高車速達150km/h。輪轂電機實例分析09電機控制器電機控制器組成與原理電機控制原理電機控制器通過接收電機轉速等信號反饋，實現與儀表的同步顯示。在制動或加速時，控制器自動調整變頻器頻率，控制電動機的轉速變化。電機控制器組成電機控制器由逆變器和控制器構成，逆變器將電池直流電轉為三相交流電供電動機，控制器接收轉速反饋并調節變頻器頻率，實現加速或減速。頻率控制方式頻率控制方式是通過改變電機的電源頻率而實現轉速控制的控制方式。這種控制方法通過調整電源頻率來改變電機的同步轉速，實現轉速調節。電壓控制方式電壓控制方式是通過改變電機端電壓而實現轉速控制的控制方式。這種控制方法直接影響電機的電磁轉矩，從而調節電機的轉速和輸出性能。電流控制方式電流控制方式是通過改變電機繞組電流而實現轉速控制的控制方式。這種控制方法利用電流的大小或方向來調節電機的電磁轉矩和轉速。電機控制方式弱磁控制弱磁控制是通過減弱氣隙磁場強度來有效控制電機轉速的一種策略。當電機處于高速運轉狀態時，適當減弱氣隙磁場可以有效降低渦流損耗。電機控制方式矢量控制矢量控制是將交流電機的定子電流視為矢量，經坐標變換分解為直流電機勵磁電流和電樞電流對應的獨立控制分量，實現電機轉速/轉矩的精準控制。直接轉矩控制直接轉矩控制運用空間矢量分析，在定子坐標系下直接計算并控制交流電機的轉矩，采用定子磁場定向，通過離散調節產生PWM信號。控制器匹配原則控制器容量等級豐富，涵蓋5kV·A至420kV·A等多個級別，滿足不同電機規模與運行需求，確保精準匹配與控制效果。容量等級范圍額定電壓與功率針對額定電壓小于或等于360V且額定功率不超過200kW的單臺電機，已明確其與控制器輸出容量的匹配關系。電機控制器的選擇需與電機特性緊密匹配，確保兩者間容量等級相符，以優化系統整體性能，實現高效、穩定的運行。電機控制器容量等級電機控制器實例分析無刷直流電機控制器無刷直流電機控制器集成調速與能量回收功能，通過電機發電回饋電能至電池，減少能量損失，提升電動汽車續駛里程。保護功能與性能無刷直流電機控制器配備完善的保護功能，包括過熱、限流、異常和欠壓保護，確保元件壽命和蓄電池健康，提升系統穩定性。物理特性與標準經過嚴格的密封性測試，保證了其優良的防水防潮性能；具備CAN總線功能，便于與整車控制系統聯網，實現快捷智能化控制。10驅動電機系統接口接口類型電動汽車驅動電機系統接口包括電氣、機械和冷卻液管路接口，確保動力與信號傳輸穩定，機械連接穩固，冷卻液循環順暢。連接方式動力電氣接口采用快速與固定連接，信號電氣接口推薦法蘭式連接器，機械接口協商確定，冷卻液管路接口按標準選配。接口類型與連接方式快速連接動力電氣接口采用快速連接方式，確保高效對接與拆卸，提高車輛維護效率與安全性。固定連接動力電氣接口同時支持固定連接方式，提供穩定傳輸路徑，減少振