论文摘要：介绍了电动汽车的四种驱动系统：直流电动机、交流感应电机、永磁电机和开关磁阻电机，综述了各自的优缺点，阐述了发展趋势。

关键词：电动汽车；驱动系统；优缺点
　　中图分类号：TM352文献标识码：A文章编号：1006-4311（2013）16-0045-03

0引言
　　电动汽车的驱动系统是电动汽车的核心，驱动系统性能的好坏决定了电动汽车性能的好坏。作为电动汽车的驱动系统必须满足汽车的频繁停、启动，速度响应快。电动汽车的驱动系统应可以在恒转矩区和恒功率区运转，应启动转矩大，调速范围宽，以满足电机良好的启动性能和加速性能。转矩转速能平滑调节，满足汽车爬坡，在恶劣复杂环境下等全工况下的正常运行。应具有效率高，损耗少，动态制动强和能量回馈功能，以满足在车载总能量不变的情况下最大限度地增加续航里程[1]。应满足较高的瞬时功率、功率密度和转矩密度，以提高车速，增大过载能力。应满足成本低，体积小，质量轻，可靠性高的要求。目前常用的几种电动汽车驱动系统有直流电动机、交流感应电动机、永磁电动机和开关磁阻电动机等各有其优缺点。

1直流电机
　　直流电机结构是定子上装有主磁极，转子上装带有线圈、电刷和换向器的电机。直流电机的工作原理是，电枢元件旋转“切割”主极磁场，产生的交流电动势经换向片和电刷机械换向变成直流电动势。不计磁饱和时，励磁绕组和电枢绕组之间没有耦合，转速可分别从磁场和电枢来控制，直流电动机电磁转矩控制简单，方便，动态响应较快。调速范围宽广，转速调节平滑，具有交流电机不可比拟的电磁转矩特性，这些是直流电机的突出优点。非常适合电动汽车对驱动系统要求的调速范围广，动态响应快的特点。另外直流电机有良好的启动性能，通过电枢回路接入变阻器和降压启动基本能达到启动电流小，启动过程平滑等优点，直到20世纪80年代中期，直流电机仍是国内外电动汽车用电机的主要研发对象[2]。
　　但是直流电机体积和重量大，价格是交流电机的2-3倍。在换向时易产生火花，引起电磁干扰，使之无法适用高速，大容量场合。换向器和电刷需经常换，维护复杂，寿命短，可靠性低。不适宜在多尘、潮湿、易燃的环境下运行且供电电压也受限制[3]。
　　早期的电动汽车驱动系统几乎都采用直流电机，最早用机械开关通过调节串联电池的个数来改变电机电枢电压，后来通过直流斩波来调节电机电枢电压，但效率都很低，可靠性也较差。随着交流电机直接转矩控制和矢量转矩控制的发展，直流电机有逐渐被取代淘汰的趋势。

2感应交流电机
　　感应交流电机的定子由定子铁心、定子绕组和机座组成。转子有转子铁心、转子绕组和转轴组成，无换向器。运行原理基于交流旋转磁场理论，即：三相对称定子绕组馈入三相对称交流电流可建立圆形旋转磁场，在转子内感应电流以实现机电能量转换。
　　按转子绕组来分可分为笼型感应电机和绕线型感应电机。在电动汽车的驱动系统中多用这种笼型感应电机，笼型感应电机的转子的绕组是笼型，定子绕组是一个对称的三相绕组，定子和转子之间没有相互接触的部件，这种电机的优点是结构简单，体积小，运行可靠，制造方便，易维护，价格低，转矩脉动小，噪声小，转速极限高，转速可达12000-15000r/min。转速范围宽，技术成熟，是一种经济耐用的电机。能在四象限运行，能再生制动。易向高压、高速、大容量方向发展。是现在电动车驱动系统中主流使用的驱动系统。
　　缺点是在动态过程中，感应交流电机电磁转矩的准确、有效控制是一个难题。交流电机的转速受电源频率的制约。因此，交流电机的调速比较困难。传统的脉冲宽度调节和变频变压调速系统已不能满足电动汽车的驱动系统，近来发展起来的矢量控制和直接转矩控制使感应电机有了更宽的调速范围，有既能运行在基速以下的恒转矩区，也能运行在基速以上的恒功率区的机械特性。但交流调速技术存在系统复杂、价格昂贵、性能指标有待进一步提高的问题。感应电机的调速系统略低于直流电机的调速系统，另外感应电机的功率因数恒为滞后，功率因数低，普通交流电机空载时功率因数为0.2～0.4，满载时为0.86～0.89，小负荷范围内效率较低，转速下降时励磁电流增加，效率下降，转速越低，负载越小，效率越低。低速下无法长期运行，否则将导致感应交流电机温升过高，驱动电路复杂，若IGBT由于强干扰出现导通错误，有可能导致IGBT短路烧毁。另外感应交流电机起动电流大，不适用于重载起动、频繁起动、频繁正反转等场合。这些特点对于电动汽车来说是不利因素。其功率密度和效率密度也低于永磁电机。感应交流电机作为电动汽车的驱动系统逐渐失去其强势。

3永磁电机
　　永磁电机是用永磁体取代电流励磁以产生气隙磁场的电机，可以减少电源的耗电量，对于整机设备来说有很大的经济价值。永磁电动机具有高的功率/质量比，比其他类型的电动机有更高的效率，更大的输出转矩[4]。电动汽车用永磁电机主要是永磁无刷电机，永磁无刷电机包括永磁直流无刷电机和永磁同步电机。
　　3.1永磁直流无刷电机永磁直流无刷电机亦称矩形波永磁无刷电动机，永磁体所产生的气隙磁场为矩形波。理想的矩形波磁场会产生恒定的电磁转矩。永磁无刷直流电机其工作原理是通过位置传感器检测到转子位置，然后通过开关控制线路控制定子绕组的通断电，实现电子换相。无机械磨擦，运行可靠，结构简单，不但具有原直流电机的优点同时还具有调速精度高，体积小效率高，高启动转矩等优点，特别适合于独立电机驱动尤其是轮边驱动的电动汽车[5]。缺点是由于换相电流很难达到理想状态，因此存在转矩脉动、振动噪声等问题，另外恒功率弱磁控制一直是其应用难点，高速受到限制。
　　3.2永磁同步电机永磁同步电机亦称正弦波永磁无刷电动机，嵌入式的永磁体的安装方式使电机更牢靠，转子在高速时永磁体不至于被甩出，为电机的高速运转提供了条件。永磁同步电机产生的是理想的恒转矩。基速下常用电流控制策略，单位电流最大转矩控制实现了电动汽车需要的低速下的最大转矩，同时满足相同转矩下的电流最小而降低了损耗提高了效率。永磁同步电机具有在弱磁控制下的基速以上的恒功率区尽可能宽广的调速范围，这也是电动汽车所需要的特性。另外采用最大转矩控制和弱磁控制相结合的同步永磁电机具有良好的功率特性。因此永磁同步电机在电动汽车的驱动系统中具有很强的竞争力。但永磁同步电机的缺点是在启动时容易产生制动转矩，造成启动困难，采用转子磁滞环在启动时增加磁滞和涡流转矩来克服制动转矩，造成转子成本增高。另一方面永磁体需冷却，在震动下有退磁现象，是永磁电机作为电动汽车驱动系统的不利因素。
　　永磁电机比较适合电动汽车的驱动系统，并且已在电动汽车中使用，日本、美国、法国等国家已有一定的研究和使用。永磁电机在电动汽车中有良好的使用前景，但由于价格较昂贵，目前只在小功率的电动汽车中应用。

4开关磁阻电机
　　开关磁阻电机是一个双凸极可变磁阻电机，双凸极的结构造成了电机内部磁场的严重非线性，磁通沿磁阻最小方向闭合，是开关磁阻电机的运行原理。只要在定子和转子齿非对齐位置给相绕组通电，扭曲的磁力线产生磁应力使转子旋转，沿不同相顺序给相绕组通电，电机就会产生相应的正反转，在电感上升区给相绕组通电产生正转矩，在电感下降区给相绕组通电产生负转矩。可四象限运行，可用于电动和制动状态。
　　4.1开关磁阻电机节能，效率高开关磁阻电机系统是一种机电一体化节能型调速电机系统。它的功率变换简单，整个调速系统通过开关管的导通和关断以及电流幅值的控制易于实现系统的软启动和四象限运行，具有明显的相对优势。开关磁阻汽车发电机与普通交流发电机相比，不需要专用的整流二极管和电压调节器即能输出脉冲直流电，非常适合于蓄电池贮存电能，并且可以通过控制器控制充电，从而实现智能型充电，可以省电节能，提高蓄电池寿命[6]。功率变换器的电流续流流向电池，实现了能量回馈，提高了效率，节约电能效果显著。转子上无绕组，没有铜耗，而且涡流损耗小，使其在很宽的速度范围内效率达87%，不仅在额定输出状态下，而且在宽广的调速范围内也能保持高效率运行，比传统驱动系统高出至少10%，在低转速和非额定负载下高效率更加明显，可增加电池的续航里程。
　　4.2开关磁阻电机可靠性高，过载强由于开关磁阻电动机的功率变换器只给电机提供单方向的电流，故其比异步电动机PWM变频器简单、可靠。相绕组与开关串联直接相接，不会产生短路直通现象，可靠性较高。转子的凸极均有普通的硅钢片叠压而成，既无绕组也无永磁体，且非常坚固，机械强度高，过载能力强，使用寿命长。定子上有比较集中的绕组，易固定，比较牢靠，制造工艺简单，这种结构可允许较高的温升，易冷却，所以可以适当地提高电机的能量密度。具有无刷结构，适合于在高粉尘、高速、易燃易爆等较恶劣复杂环境下运行。开关磁阻电机的结构比较简单，牢固，价格相对于别的电动机来说比较便宜。
　　4.3开关磁阻电机启动电流小、启动转矩大对比其他调速系统启动性能，启动电流小，启动转矩大。直流电动机100%的启动电流获得100%启动转矩，鼠笼感应电动机为300%的启动电流获得100%的转矩。而开关磁阻电机启动电流为15%的额定电流时就获得了100%的额定转矩，启动电流在30%的额定电流时，启动转矩可达其额定值的150%。开关磁阻电机启动电流小，电机发热小，适于电动汽车的频繁启动、停车及正反转，适合于重载启动和较长时重载低速运行的电动车辆。在额定电压下，电动机在恒转矩特性转速范围内的最大转矩不低于额定转矩的130%。瞬间可输出4倍以上的扭矩，可提高电动汽车的性能；高转矩性能能很好地满足汽车的爬坡功能。
　　4.4开关磁阻电机调速性能好，适于高速，功率因数高与其他电机转子相比开关磁阻电机转子比较轻便，转动惯量小，速度响应快，特别适合高速运行，最高速可达10，0000rpm以上。开关磁阻电机可控制参数多，调速性能好。控制比较灵活方便：可通过控制开通角、关断角、导通角和端电压及不同组合的控制策略达到所需要求。在基速以下的恒转矩区实行电流斩波，即通过电流检测获得的绕组实际电流与给定的电流进行比较，调整电流波形从而得到输出转矩。在基速以上的恒功率区实行角度位置控制，即控制不同的开通关断角、导通角，从而得到更宽的速度范围。可控参数多使其在制动运行时有与电动运行时一样的优良转矩输出。普通交流电机空载时功率因数为0.2～0.4，满载时为0.86～0.89；而开关磁阻电动机调速系统的功率因数空载时可达0.995，满载时可达0.98。作为电动汽车的驱动系统有很大潜力。
　　开关磁阻电机的缺点是，由于开关磁阻电机是高度非线性的机械装置和使用非线性的供电电源，其转矩脉动和噪声大。因其有位置传感器，造成结构复杂。随着控制策略的优化和无位置传感器的进一步发展，这些问题将得到进一步的解决。

5结语
　　电动汽车的这四种驱动系统各有优缺点。直流电机因效率低、可靠性差有逐渐被取代淘汰的趋势，交流感应电机由于其控制复杂逐渐失去其强势，永磁电机由于其昂贵的价格及退磁缺点目前应用不太广泛，开关磁阻电机如能改善其转矩脉动大的问题，将会是电动汽车驱动系统的一匹黑马。

参考文献：
　　[1]李征，周荣.电动汽车驱动电机选配方法[J].汽车技术，2007，（2）：16-18.
　　[2]王立颖.电动汽车的关键技术及发展[J].汽车工业研究，2009，（8）：12-15.
　　[3]易将能，韩力.电动车驱动电机及其控制技术综述[J].微特电机，2001，（4）：36-38.
　　[4]郭建龙，陈世元.电动汽车驱动用电机的选择[J].汽车电器.2007，（1）：9-12.
　　[5]钱苗旺，谭国俊，马秀丽，王波.电动车用永磁无刷电动机比较综述[J].微特电机，2008，（11）：56-60.