科普｜电动汽车动力电机逆变器

来源：辣笔小星

随着新能源电动汽车的快速普及，很多朋友开始关注电动汽车作为未来买车的方向。那么问题来了，电动汽车的电机是如何为汽车提供动力的，它和小时候玩的四驱方程式赛车玩具用的直流电机有什么区别呢？今天让我们详细聊聊动力电机逆变器是怎么回事。

什么是动力电机逆变器

逆变器是一种把直流电（蓄电池）转变成变频变压交流电的能量转化装置。

↑赛车玩具直流电机工作原理

那么新能源电动汽车使用的动力电机又和小时候玩的四驱方程式赛车玩具用的直流电机有什么区别呢？玩具中使用2节5号电池就能让电机带着前后四个车轮高速旋转。其中使用的直流电机采用永磁的定子提供固定磁场，而直流电通过电刷组成的换向器在转子上产生旋转磁场从而推动转子旋转。

↑电动汽车动力电机工作原理

而新能源动力电机由于电压高功率大，因此考虑到更高效率和更长寿命，采用不需要电刷换向器的交流电机。可以通过交流电在定子上产生旋转的磁场，从而摆脱电刷换向器的束缚，推动转子在旋转磁场的作用下达到所需的转速和扭矩。动力电机逆变器这个能量转化装置将动力电池的高压直流电转换为动力电机所需的交流电。是不是觉得很高深难懂？我们直接看动画吧。

什么是动力电机逆变器的技术关键

↑动力电机逆变器关键部件

动力电机逆变器为驱动电机提供所需的交流电，它将来自高压蓄电池的直流电在功率电子控制器内部利用6个IGBT或碳化硅半导体开关模块组成三相开关电路转化为交流电。这个转换是通过脉冲宽度调制来进行的。驱动电机的扭矩和转速建立分别通过改变脉冲宽度和频率来进行调节。PWM信号的脉冲宽度导通时间越长则扭矩越大，频率越高则转速越高。

↑动力电机逆变器工作原理

同时动力电机逆变器通过交流电产生的旋转磁场必须与转子的永磁磁场达到精确同步，或者与转子的感应磁场达到可控的异步。其中转子位置传感器是动力电机逆变器可靠工作的核心。转子位置传感器通过旋转变压器的原理，由固定在定子上的多个感应线圈和固定在转子上的金属制凸轮盘组成。每个感应线圈中有一个励磁绕组和两个次级绕组。

↑动力电机转子位置传感器和工作原理

当动力电机转子旋转时带动凸轮盘旋转，凸轮凸起部位从一个线圈移动到另一个线圈，这就增强了次级绕组中的磁感应强度。由于每个线圈中的次级绕组1和2绕线圈数不同，因此幅度就错开了90°。根据幅度调制的电压信号就可以计算出动力电机转子的位置和转速。由于动力电机旋转速度非常高，这些转子位置传感器中的旋转变压器幅度调制电压信号一般由专用模数转换芯片完成转子位置的高精度测量。

动力电机逆变器的系统组成和分类

↑动力电机逆变器系统组成

动力电机的能量传输过程包括：能量储存系统的直流电能，在动力控制系统的功率控制下将直流电转换成交流电提供给电动机单元，电动机单元内的转子在交流电所产生的磁场的作用下旋转，从而将电能转变成机械转动力，通过输出轴将该转动力输出至变速箱单元，变速箱单元通过其内部的各齿轮机构的配合使该转动减速，并经过差速齿轮的调整后，输出至车轮的半轴。

↑永磁同步电机（左）和异步感应电机（右）内部结构

从异步感应电机和永磁同步电机的内部结构就可以很明显区分两种电机技术。永磁同步电机的转子为永久磁体，英文简称PMSM。而异步感应电机的转子不是磁体而是封闭线圈，也就是俗称的鼠笼结构，英文简称ACIM。异步感应电机定子通过动力电机逆变器获得交流电，定子绕组内的电流产生旋转磁场。异步电机转子的转动要稍慢于定子的转动磁场。于是在转子的铝制笼内感应出电流，从而叠加磁场产生扭矩。

↑异步感应电机的定子与转子磁场

那么异步感应电机相比永磁同步电机有哪些不同呢？以蔚来汽车永磁同步电机与异步感应电机为例，进行一下对比。首先，异步感应电机具有更高的转速极限，最高可达15000转每分钟。并且有更强的过载能力，最大可达额定值的5倍。同时异步感应交流电机具有结构坚固性好、成本低和可靠性好的优点。当然它也存在着短板，那就是，峰值效率最高95%略低于永磁同步交流电机的97%。另外电机的外形尺寸异步感应交流电机相比较永磁同步交流电机在相同功率下也要大一些。因此两种技术并没有孰优孰劣之分。而是根据不同的车型特性来匹配相应的电机技术，从而找到最优解。

↑蔚来汽车永磁同步电机（左）与异步感应电机（右）

综上所述，我们介绍了电动汽车的电机是如何为汽车提供动力的，它和赛车玩具直流电机的区别。一方面逆变器将来自高压直流电利用IGBT或碳化硅开关模块转化为交流电。另一方面是转子位置传感器利用旋转变压器原理为逆变器提供转子位置和转速信息。根据永磁同步或感应异步电机的不同特性，逆变器相应控制动力电机达到相应的转速和扭矩。