电动汽车电驱动系统详解及常见故障分析

一、电动汽车系统组成

如果把电动汽车看生是一个大系统，则系统主要由电力驱动子系统、电源子系统和辅助子系统组成。电驱动系统主要由四大部分组成：驱动电机、变速器、功率变换器和控制器。驱动电机是电气驱动系统的核心，其性能和效率直接影响电动汽车的性能。驱动电机和变速器的尺寸、重量也会影响到汽车的整体效率。功率变换器和控制器则对电动汽车的安全可靠运行有很大关系。驱动系统的功能是将储存在蓄电池中的电能高效地转化为车轮的动能进而推进汽车行驶，并能够在汽车减速制动或者下坡时，实现再生制动。

下图表示一种典型的电动汽车系统组成，图中双线表示机械连接；粗线表示电气连接；细线表示控制信号连接；线上的箭头表示电功率或控制信号的传输方向。来自加速踏板的信号输入电子控制器并通过控制功率变化器来调节电动机输出的转矩或转速，电动机输出的转矩通过汽车传动系统驱动车轮转动。充电器通过汽车的充电接口向蓄电池充电。在汽车行驶时，蓄电池经功率变换器向电动机供电。当电动汽车采用电制动时，驱动电动机运行在发电状态，将汽车的部分动能回馈给蓄电池对其充电，并延长电动汽车的续驶里程。

二、电动汽车电驱动系统特点

电动汽车电驱动系统是区别于内燃机汽车的最大不同点。电动汽车对驱动系统的要求很高。电动知家总结，电动汽车驱动系统应符合下列要求：

1）瞬时功率大，短时过载能力强，以满足爬坡及加速的需要；

2) 调速范围宽广；

3) 在运行的全部速度范围和负载范围内，具有较高的效率。也就是在电机所有工作范围内综合效率高, 以尽量提高电动汽车一次续驶里程；

4) 可靠性高，使用方便简单，价格低廉；

5) 功率密度高，体积小，质量轻。

三、电动汽车电驱动系统构成

1．电动汽车驱动电机

选用小型轻量的高效电机，对目前电池容量较小、续驶里程较短的电动汽车现状显得尤为重要。早期电动汽车驱动电机大部分采用他励直流电机(DCM)。直流电机驱动系统改变输入电压或电流就可以实现对其转矩的独立控制，进行平滑调速，具有良好的动态特性，并且有成本低、技术成熟等优点。但是，直流电机的绝对效率低，体积、质量大，碳刷和换向器维护量大，散热困难等缺陷，使其在现代电动汽车中应用越来越少。随着电力电子技术、大规模集成电路和计算机技术的发展以及新材料的出现和现代控制理论的应用，机电一体化的交流驱动系统显示了它的优越性，如效率高、能量密度大、驱动力大、有效的再生制动、工作可靠和几乎无需维护等，使得交流驱动系统开始越来越多地应用于电动汽车中。目前在电动汽车中，主要采用永磁同步电机(PMSM)驱动系统、开关磁阻电机(SRM)驱动系统和异步感应电机(肼)驱动系统。

2．变速器

电动汽车用的驱动电机具有宽广的运行范围，并且在低速恒转矩区和高速弱磁区具有良好的转矩．转速性能，为了提高传动系统效率，可以去掉内燃机汽车中必备的十分笨重的机械齿轮变速器，代之以固定速比减速器的传动系统。固定速比的确非常重要，如果选择不合适，将对整车的性能产生不利影响。通过多次仿真和实验测试，可对电动汽车的固定速比进行优化设计，使之具有良好的传动性能。

3．功率变换器

在现代电动汽车电驱动系统中，通过功率变换器将电池储存的直流电经电压/频率变换后供给电机和其他交流负载使用。功率转换器技术发展的目标是要达到高功率密度、高效率、高可控性和高可靠性。功率变换器常见的是三相全桥的拓扑结构，其中，尤以电压型逆变器为研究最多，而控制方式也是PWM调制占主流。此外，某些电驱动系统的能量源如超级电容等，也会用到DC—DC变换器以控制各能量源的功率流动。对于电动汽车，在选用功率器件时，必须考虑额定值、转换效率、功率损耗、基极/门极的可驱动性、动态特性、坚固可靠性、成熟性与成本等要求。

4、电子控制器

电子控制器即电动机调速控制装置是为电动汽车的变速和方向变换等设置的，其作用是控制电动机的电压或电流，完成电动机的驱动转矩和旋转方向的控制。在早期的电动汽车上，直流电动机的调速采用串接电阻或改变电动机磁场线圈的匝数来实现。因其调速是有级的，且会产生附加的能量消耗或使用电动机的结构复杂，现在已很少使用。目前，电动汽车上应用较广泛的是晶闸管斩波调速，通过均匀地改变直流电动机的端电压，控制电动机的电流，来实现电动机的无级调速，在电力电子技术的不断发展中，它也逐渐被其他电力晶体管（如GTO，MOSFET，BTR及IGBT等）斩波调速装置所取代。

四、电动机驱动系统常见故障分析

电动机驱动系统的故障主要分为电动机故障与电动机控制器故障。

电动机是电能和机械能转换，实现车辆驱动的关键部件，是典型的机电混合体。电动机故障涉及因素较多，如电路系统、磁路系统、绝缘系统、机械系统以及通风散热系统等。任何一个系统工作不良或其相互之间配合不好均会导致电动机出现故障，所以，电动机故障要比其他设备的故障更复杂，电动机故障诊断所涉及的技术范围更广。

此外，电动机的运行还与其负载情况、环境因素有关。电动机在不同的状态下运行，表现出的故障状态各不相同，这进一步增加了电动机故障诊断难度。通常而言，电动机的故障可分为机械故障与电气故障。机械方面的主要故障有定子铁芯损坏、转子铁芯损坏、轴承损坏和转轴损坏，其故障原因为由振动、润滑不充分、转速过高、静载过大、过热而引起的磨损、压痕、腐蚀、电蚀和开裂等；电气方面的故障则主要是定子绕组故障与转子绕组故障，故障原因包括电动机绕组接地、短路、断路、接触不良和鼠笼断条等。

因为器件本身的结构和物理特性以及相互间的电磁兼容性问题，电动机控制器故障也成为电动机驱动系统发生故障的主要原因。电动机控制器的故障主要包括以下几类：IGBT故障、输入电源线和接地线故障、整流二极管短路、直流母线接地错误、直流侧电容短路、晶闸管短路、温度超限报警、相电流过流、过电压以及欠电压等高压电气系统故障。

电动机常见故障及处理方法见表2。主电动机控制器常见故障及处理方法见表3。