近年隨著我國交通事業(yè)的飛速發(fā)展，交通領(lǐng)域成為我國能耗增長最快的領(lǐng)域。能源危機(jī)和環(huán)境污染的加劇，使電動(dòng)汽車研發(fā)成為世界汽車工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略性項(xiàng)目，世界各國也普遍將發(fā)展電動(dòng)汽車確立為保障能源安全和轉(zhuǎn)型低碳經(jīng)濟(jì)的重要途徑。

1881 年，第一輛電動(dòng)汽車由法國工程師古斯塔夫 . 士維（GustaveTrouve）制造問世，它是采用鉛酸蓄電池供電，由 0.1 hp（英制馬力，1 hp=745.7 W）的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的三輪電動(dòng)汽車，整車及其駕駛員的重量約 160 kg。兩位英國教授在1883年制成了相似的電動(dòng)汽車。因當(dāng)時(shí)該應(yīng)用技術(shù)尚未成熟到足以與馬車競(jìng)爭(zhēng)，因此這些早期構(gòu)造并沒有引起公眾很多的注意。

20 世紀(jì) 40 年代之后，半導(dǎo)體技術(shù)快速發(fā)展，隨后出現(xiàn)的晶閘管、三極管，尤其是在 20 世紀(jì) 80年代問世的絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）為電機(jī)調(diào)速與控制提供了便利，同時(shí)伴以電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，為以電能為能源的電機(jī)取代以石油為能源的內(nèi)燃機(jī)提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

一、電動(dòng)汽車分類

根據(jù)國標(biāo) GB/T 19596-2004 電動(dòng)汽車術(shù)語，電動(dòng)汽車可分為由動(dòng)動(dòng)力電池提供能源的純電動(dòng)汽車、電機(jī)和內(nèi)燃機(jī)共存的混合動(dòng)力汽車和以燃料電池為能源的燃料電池電動(dòng)汽車，這三類電動(dòng)汽車均采用一個(gè)及以上的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)汽車，同時(shí)回收剎車的制動(dòng)能量，從而實(shí)現(xiàn)了能量利用率的提升。

1. 純電動(dòng)汽車

純電動(dòng)汽車由電機(jī)驅(qū)動(dòng)汽車，能量完全由二次電池（如鉛酸電池、鎳鎬電池、鎳氫電池或鋰離子電池）提供。由于一次石化能源的日趨匱乏，純電動(dòng)汽車被認(rèn)為是汽車工業(yè)的未來。典型的純電動(dòng)汽車動(dòng)力結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。電池組的電能通過充電系統(tǒng)在車輛行駛一定里程后進(jìn)行補(bǔ)充。純電動(dòng)汽車的特點(diǎn)是車輛

實(shí)現(xiàn)零排放，不依賴汽油，完全采用電能驅(qū)動(dòng)車輛，但是由于蓄電池的能量密度和功率密度比汽油或柴油低很多，因此純電動(dòng)汽車的連續(xù)行駛里程有限。

2. 混合動(dòng)力汽車

混合動(dòng)力汽車按動(dòng)力總成結(jié)構(gòu)及能量流傳遞方案不同，可分為串聯(lián)、并聯(lián)及混聯(lián)三種混合動(dòng)力方式。串聯(lián)混合動(dòng)力車輛中，發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力與電動(dòng)機(jī)動(dòng)力通過電氣系統(tǒng)傳遞；并聯(lián)和混聯(lián)混合動(dòng)力車輛中，發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力與電動(dòng)機(jī)動(dòng)力通過一個(gè)專門的機(jī)電耦合機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)向車輪的傳遞，常用的機(jī)電耦合機(jī)構(gòu)包括行星齒輪耦合、變速器耦合及離合器耦合等。

串聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)的動(dòng)力總成，發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械能通過發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化為電能，電動(dòng)機(jī)將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能傳到驅(qū)動(dòng)橋，驅(qū)動(dòng)橋和發(fā)動(dòng)機(jī)之間沒有直接的機(jī)械連接。該方案的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)控制簡單，缺點(diǎn)是難以應(yīng)對(duì)復(fù)雜路況，電池充放電壓力較大，電池壽命要求較高。

典型的并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)，電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)通過齒輪減速機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)動(dòng)力耦合。并聯(lián)混合動(dòng)力具有三種驅(qū)動(dòng)模式：發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，電動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)混合驅(qū)動(dòng)。并聯(lián)式混合動(dòng)力總成具有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)兩個(gè)動(dòng)力總成，兩者的功率分別可以等于50% ～ 100%車輛驅(qū)動(dòng)功率，比串聯(lián)混合動(dòng)力汽車的三個(gè)動(dòng)力總成的功率、質(zhì)量和體積小。

（2）發(fā)動(dòng)機(jī)可直接驅(qū)動(dòng)車輛，能量轉(zhuǎn)換綜合效率比串聯(lián)混合動(dòng)力汽車高。車輛需要最大輸出功率時(shí)，電動(dòng)機(jī)可以給發(fā)動(dòng)機(jī)提供額外的輔助動(dòng)力，因此可配置小功率發(fā)動(dòng)機(jī)，燃油經(jīng)濟(jì)性比串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車好。

（3）與電動(dòng)機(jī)配套的動(dòng)力電池組容量較小，整車質(zhì)量減輕。

但是，并聯(lián)混合動(dòng)力汽車需要裝配變速器、離合器、傳動(dòng)軸和驅(qū)動(dòng)橋等結(jié)構(gòu)，還需裝配電動(dòng)機(jī)、動(dòng)力電池組和動(dòng)力組合器等裝置，因此動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，結(jié)構(gòu)布置和整車控制更困難。

著名的混合動(dòng)力汽車 Pruis 采用混連式混合動(dòng)力總成，耦合器采用行星齒輪結(jié)構(gòu)，發(fā)動(dòng)機(jī)與行星齒輪的行星架相連，發(fā)電機(jī)連接太陽輪，電動(dòng)機(jī)連接齒圈。通過控制離合器、兩個(gè)電機(jī)及制動(dòng)器工作狀態(tài)，可以實(shí)現(xiàn)多種工作模式?；炻?lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)與串聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)相比，增加了機(jī)械動(dòng)力的傳遞路線，與并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)相比，增加了電能的傳輸路線。混連式混合動(dòng)力系統(tǒng)具有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）三個(gè)動(dòng)力總成比串聯(lián)式混合動(dòng)力三個(gè)動(dòng)力總成的功率、質(zhì)量和體積小。

（2）電動(dòng)機(jī)可獨(dú)立驅(qū)動(dòng)車輛行駛。利用電動(dòng)機(jī)低速大轉(zhuǎn)矩特性，帶動(dòng)車輛起步，在城市中實(shí)現(xiàn)“零污染”行駛。車輛需最大輸出功率時(shí)，電動(dòng)機(jī)可為發(fā)動(dòng)機(jī)提供輔助動(dòng)力，因此發(fā)動(dòng)機(jī)功率小，燃油經(jīng)濟(jì)性好。

但是混連式混合動(dòng)力系統(tǒng)需要配備兩套驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；發(fā)動(dòng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)需要裝配離合器、變速器、傳動(dòng)軸和驅(qū)動(dòng)橋等傳動(dòng)總成；另外，還有電動(dòng)機(jī)、減速器、動(dòng)力電池組，以及多種能源動(dòng)力（發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力與電動(dòng)機(jī)動(dòng)力）組合或協(xié)調(diào)專用裝置。

 3. 燃料電池電動(dòng)汽車燃料電池是一種通過電化學(xué)反應(yīng)的方式將燃料和氧化劑的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，具有高能量轉(zhuǎn)換效率和“零排放”特點(diǎn)，成為電動(dòng)汽車的候選電源。燃料電池電動(dòng)汽車具有系統(tǒng)機(jī)構(gòu)簡單，便于系統(tǒng)布置，有利于整車輕量化的優(yōu)點(diǎn)。但是由于燃料電池壽命短，系統(tǒng)功率密度低、裝置可靠性難以保證等問題，導(dǎo)致燃料電池電動(dòng)汽車近年來發(fā)展緩慢。

 車用電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

車用電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是電動(dòng)汽車的關(guān)鍵技術(shù)和共性技術(shù)。因?yàn)槭艿杰囕v空間限制和使用環(huán)境的約束，車用電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)不同于普通的電傳動(dòng)系統(tǒng)，它要求具有更高的運(yùn)行性能、比功率，以及適應(yīng)更嚴(yán)酷的工作環(huán)境等。為了滿足這些要求，車用電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)基本上可以歸納為電機(jī)永磁化、控制數(shù)字化和系統(tǒng)集成化，電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu).

 1. 高功率密度車用電機(jī)控制器

電動(dòng)汽車中主驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器一般采用典型的三相橋式電壓源逆變電路。其主要部件包括：功率模塊、直流側(cè)支撐電容和疊層母線排。根據(jù)車輛對(duì)控制器的功率等級(jí)需求，功率模塊大多采用絕緣柵雙極型晶體管 （Insulated Gate Bipola Transistor， IGBT），直流側(cè)支撐電容是控制器中最重要的無源器件，主要作用是吸收功率模塊開關(guān)造成的直流側(cè)脈動(dòng)電流，穩(wěn)定直流側(cè)輸出電壓電流，從而提高蓄電池使用壽命，其體積和重量對(duì)控制器的功率密度有很大影響。因此，IGBT 功率模塊和直流側(cè)支撐電容是提高控制器性能和成本控制的關(guān)鍵。

為了提高 IGBT 功率模塊的運(yùn)行性能和可靠性，并降低成本，中國科學(xué)院電工研究所聯(lián)合國內(nèi)功率模塊封裝企業(yè)進(jìn)行具備自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的國產(chǎn)智能IGBT功率模塊研發(fā)。在 IGBT 設(shè)計(jì)方面進(jìn)行了大量分析優(yōu)化和工藝設(shè)計(jì)工作。

中國科學(xué)院電工研究所應(yīng)用智能 IGBT 功率模塊和金屬膜電容技術(shù)所研制的 60 kW 高功率密度電機(jī)控制器的重量比功率為 4 kW/kg，體積比功率為 6 kW/L。并且成功應(yīng)用于力帆 LF620 純電動(dòng)警務(wù)車，服務(wù)于2010年上海世博會(huì)。

2. 高功率密度車用電機(jī)

目前，電動(dòng)汽車用電動(dòng)機(jī)主要有異步電機(jī)、永磁電機(jī)和開關(guān)磁阻電機(jī)。電動(dòng)車輛的驅(qū)動(dòng)電機(jī)屬于特種電機(jī)，是電動(dòng)汽車的關(guān)鍵部件。要使電動(dòng)汽車有良好的使用性能，驅(qū)動(dòng)電機(jī)應(yīng)具有較寬的調(diào)速范圍及較高的轉(zhuǎn)速，足夠大的啟動(dòng)扭矩，體積小、質(zhì)量輕、效率高且有動(dòng)態(tài)制動(dòng)強(qiáng)和能量回饋的性能。目前電動(dòng)汽車所采用的電動(dòng)機(jī)中，直流電動(dòng)機(jī)基本上已被異步電動(dòng)機(jī)、永磁同步電機(jī)或開關(guān)磁阻電機(jī)所取代。

由于永磁同步電機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊、效率高、功率密度高的優(yōu)勢(shì)，近年來廣泛用于電動(dòng)汽車應(yīng)用。為了進(jìn)一步滿足車輛應(yīng)用的特殊需求，混合勵(lì)磁電機(jī)、盤式電機(jī)等新型特種電機(jī)也應(yīng)用于車用領(lǐng)域。電動(dòng)汽車所用的電機(jī)正在向大功率、高轉(zhuǎn)速、高效率和小型化方向發(fā)展。

（1）永磁同步電機(jī)

電機(jī)是以磁場(chǎng)為媒介進(jìn)行電能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)換的電磁裝置，在電動(dòng)汽車中起到了將電池中的電能裝換為驅(qū)動(dòng)車輛的機(jī)械能，或?qū)⑵囆柚苿?dòng)時(shí)多余的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能存儲(chǔ)在電池中。為了在電機(jī)內(nèi)建立進(jìn)行電能轉(zhuǎn)換所必需的氣隙磁場(chǎng)，可以采用電機(jī)內(nèi)繞組通以電流來產(chǎn)磁場(chǎng)，另一種是由永磁體產(chǎn)生磁場(chǎng)。由于稀土鈷永磁體和釹鐵硼永磁體都是高剩磁、高矯頑力、高磁能積永磁體，用于制造永磁電機(jī)可以獲得較強(qiáng)的氣隙磁場(chǎng)，減小了電機(jī)體積，質(zhì)量輕，損耗小，效率高，電機(jī)的形狀和尺寸靈活多樣，適合于車用電機(jī)高功率密度的需求。

永磁同步電機(jī)在運(yùn)行過程中定子繞組通以三相對(duì)稱電流，在電機(jī)氣隙中建立與電機(jī)轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，通過控制算法調(diào)節(jié)電流的相位與頻率，實(shí)現(xiàn)電機(jī)在全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的穩(wěn)定運(yùn)行。

（2）混合勵(lì)磁電機(jī)

永磁電機(jī)的永磁磁鏈無法調(diào)節(jié)的缺點(diǎn)，在恒定供電電壓下帶來了弱磁控制問題：車輛動(dòng)力性能要求電機(jī)系統(tǒng)在高轉(zhuǎn)速下需要較寬的恒功率調(diào)速范圍保證車輛的高速性能。由于受到電池電壓的限制，目前大部分永磁電機(jī)系統(tǒng)采用增加定子繞組去磁電流的方法抵消永磁磁場(chǎng)，從而達(dá)到恒定供電電壓下弱磁調(diào)速的目的。但這種方法降低了系統(tǒng)效率和功率因數(shù)，增加了控制器成本，同時(shí)還存在深度弱磁控制時(shí)穩(wěn)定性差和高速失控時(shí)的電壓安全問題?；旌蟿?lì)磁電機(jī)是解決以上問題的可行技術(shù)。

混合勵(lì)磁電機(jī)在永磁電機(jī)與電勵(lì)磁電機(jī)的基礎(chǔ)上演變而來，通過在永磁電機(jī)中引入電勵(lì)磁繞組使電機(jī)獲得勵(lì)磁可控的性能，電機(jī)更適合于寬速度范圍、高弱磁比的應(yīng)用場(chǎng)合，彌補(bǔ)了單一勵(lì)磁方式的不足。中國科學(xué)院電工研究所以旁路式混合勵(lì)磁電機(jī)為研究對(duì)象，在電機(jī)結(jié)構(gòu)、電機(jī)參數(shù)特性、電機(jī)數(shù)學(xué)模型及勵(lì)磁電流規(guī)劃等方面進(jìn)行了深入的研究。旁路式混合勵(lì)磁電機(jī)最大程度繼承永磁電機(jī)高效、高功率密度的優(yōu)點(diǎn)，電機(jī)勵(lì)磁主要由永磁磁勢(shì)提供，電勵(lì)磁磁勢(shì)主要用與增強(qiáng)或削弱主磁路磁通，通過調(diào)節(jié)電勵(lì)磁電流的大小實(shí)現(xiàn)電勵(lì)磁助磁與弱磁功能。

混合勵(lì)磁電機(jī)具有助磁和弱磁兩個(gè)工況：

（1）助磁工況：電勵(lì)磁助磁工況下的磁路。N極側(cè)的電勵(lì)磁磁力線從電勵(lì)磁端蓋通過軸向氣隙進(jìn)入電機(jī)轉(zhuǎn)子N極，與永磁體磁力線一同通過主氣隙與電樞繞組交鏈，一部分磁力線通過端蓋閉合，另一部分磁力線通過電機(jī)軛部與主氣隙進(jìn)入轉(zhuǎn)子 S 極，通過 S 極側(cè)軸向氣隙進(jìn)入電勵(lì)磁旁路閉合。

（2）弱磁工況：電勵(lì)磁弱磁通過勵(lì)磁電流反向?qū)崿F(xiàn)，反向的電勵(lì)磁磁勢(shì)與永磁體磁勢(shì)建立與助磁工況下電勵(lì)磁旁路中相反的磁力線方向，部分永磁體磁力線不經(jīng)過主氣隙與電樞繞組交鏈，實(shí)現(xiàn)電機(jī)弱磁運(yùn)行。

綜合來看，與傳統(tǒng)無刷永磁電機(jī)相比，旁路式混合勵(lì)磁電機(jī)具有顯著優(yōu)點(diǎn)：如低速時(shí)增大勵(lì)磁以提高輸出轉(zhuǎn)矩；高速運(yùn)行時(shí)減小或反向勵(lì)磁從而拓寬電機(jī)的恒功率弱磁區(qū)；降低電機(jī)在高速運(yùn)行下的鐵損，提高效率；動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流大小，提高負(fù)載變化時(shí)發(fā)電電壓動(dòng)態(tài)性能；減小電樞反應(yīng)弱磁磁勢(shì)，降低永磁體高溫運(yùn)行時(shí)的失磁風(fēng)險(xiǎn)等?；旌蟿?lì)磁是未來車用永磁電機(jī)的一個(gè)重要發(fā)展趨勢(shì)。

3. 車用電機(jī)控制技術(shù)

針對(duì)電機(jī)控制系統(tǒng)強(qiáng)非線性、參數(shù)變化，以及汽車對(duì)電機(jī)系統(tǒng)高速和寬調(diào)速范圍的一些需求，中科院電工所重點(diǎn)圍繞高性能電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)適用于車用工況的安全可靠與高效節(jié)能運(yùn)行控制的技術(shù)難點(diǎn)，提出了死區(qū)補(bǔ)償技術(shù)，解決了純電動(dòng)汽車低速輕載工況的低速脈動(dòng)問題；提出了基于單調(diào)節(jié)器的深度弱磁控制方法和解耦控制技術(shù)，解決了電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)高速運(yùn)動(dòng)控制和高速發(fā)電控制難題。

隨著純電動(dòng)汽車的發(fā)展，對(duì)電機(jī)的恒功率弱磁特性要求越來越高，人們希望電機(jī)的輸出特性能夠完全覆蓋汽車的驅(qū)動(dòng)特性，從而省去變速機(jī)構(gòu)，節(jié)省空間體積和成本。因此，弱磁控制成為車用電機(jī)控制的重要研究方向之一。而經(jīng)中科院電工所研究發(fā)現(xiàn)，目前常用的雙電流環(huán)弱磁控制中，存在發(fā)生不可逆的失控可能，造成嚴(yán)重的系統(tǒng)故障和安全隱患。電工所致力于弱磁控制多年，提出了性能可靠、全局受控的弱磁控制策略，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證恒功率區(qū)可達(dá)1 : 6，完全滿足車用需求。

四、總結(jié)

我國在傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)車輛方面較國外存在一定差距，但是電動(dòng)汽車正處在起步階段，我國在電機(jī)驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)和扎實(shí)的理論，近年來也在電動(dòng)汽車關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)方面投入較大，培育了大批的研發(fā)機(jī)構(gòu)和生產(chǎn)企業(yè)，雖然目前的發(fā)展中存在困難和曲折，但是并沒有改變政府和產(chǎn)業(yè)界發(fā)展電動(dòng)汽車的決心。雖然傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)車輛還占據(jù)目前車輛市場(chǎng)的絕對(duì)主導(dǎo)，但是發(fā)展清潔的電動(dòng)汽車在能源、環(huán)境和技術(shù)方面都是大勢(shì)所趨。伴隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，電動(dòng)汽車將會(huì)迎來進(jìn)入尋常百姓家的一天。