电机是一种将电能与机械能相互转换的机电装置。在车辆系统中,电机可以处理能量源所提供的能量并向驱动桥传递功率和转矩。当车辆制动时,电机还能提供一个反方向的将车轮的机械能向电能转化的功率流过程。当电机将电能转化为机械能时,称为电动机 ;当电机通过反方向功率流过程将机械能转化为电能时,称为发电机。电机的制动模式称为再生制动。电机在两个方向的能量转化过程中都存在电损耗、机械损耗和磁损耗,这些都将影响电机的能量转化效率。在任何能量转化过程中,都会有一部分能量损失。然而,相比于其他类型的能量转换装置,电机的转换效率通常是相当高的。
在纯电动汽车中,电机是唯一的动力单元;在混合动力汽车中,电机和内燃机通过串联或并联的方式组合在一起为车辆提供动力。在纯电动汽车和混合动力汽车中,驱动电机将从储能装置中获得的电能转化为机械能从而驱动车轮。与内燃机相比,电机的优势是其在低转速时可以提供峰值转矩,而且其瞬时额定功率可以达到内燃机额定功率的2-3倍。这些特点使电机驱动的车辆具有更加卓越的加速性能。
电机外特性
发动机外特性
电机可以分为直流型和交流型。由于与道路负荷特性有良好的匹配性并且易于控制,在20世纪80年代以及更早之前的一部分电动汽车原型机使用的都是直流电机。直流电机的尺寸以及维护要求使它不仅应用于汽车行业,而是在所有电机驱动的领域都有广泛的应用。
近期的纯电动汽车和混合动力汽车采用了交流和无刷电机,其中包括了感应电机、永磁电机和开关磁阻电机。交流感应电机的技术相当成熟,在过去的50年间,电机驱动的研发成果显著。感应电机的控制比直流电机复杂得多,但是通过应用高速的数字处理器,可以方便地进行复杂计算。为正弦波电机开发的矢量控制技术通过转换参照系使得交流电机的控制类似于直流电机的控制。计算的复杂性源于这些参照系转换,但今天的数字处理器能够在一个相对短的时间内完成复杂的算法。
感应电机的竞争对手是永磁电机。交流永磁电机的转子上有磁体,而定子的结构与感应电机相同。永磁电机永磁体可以是表贴式的,也可以将永磁体安装在转子内部,磁体安装在转子内部的电机被称为内置式永磁电机。永磁电机也可以根据磁通在气隙内的分布形式分为正弦波形式和方波形式。方波永磁电机具有三相集中绕组,也被称为无刷直流电机。永磁电机由六桥臂逆变器驱动,与感应电机一致,但其控制与感应电机相比要相对简单。在永磁电机中使用高剩磁密度稀土永久磁铁能够提供高功率密度,但是永久磁铁的高成本是其缺点。在纯电动汽车和混合动力汽车中使用的永磁电机的尺寸与其他小功率的应用场合相比相对较大,这放大了成本的问题。然而,混合动力汽车使用的电机要比纯电动汽车小得多,而且其在性能和效率方面的优势足以弥补成本的问题。内置式永磁电机具有优良的性能,其性能远远高于表贴式永磁电机,但是其制造的复杂性是这类电机的弊端之一。
另一类牵引电机为开关磁阻电机。这类电机具有很好的容错特性,而且其结构相当简单。开关磁阻电机的转子没有绕组和磁铁,这有助于提高电机的转矩/惯量比,并允许较高的转子工作温度。相比于其他类型电机,开关磁阻电机的恒功率转速范围最广,这使得它非常适合于牵引应用。开关磁阻电机有两个缺点,即噪声和转矩脉动。目前已有先进的技术能够解决这两个问题。此外,在一些牵引应用中,噪声和转矩脉动并不是首要关注的问题。