傳統汽車的驅動力由發動機提供，而今天說的新能源汽車，具體到產品層面，就是電機驅動的汽車，其上位概念是機動汽車。機動汽車是相對人力（蓄力）車輛而言的概念。目前已經是電動的機動車輛主要有無軌電車和有軌電車。發動機驅動力的傳統汽車向電機驅動的汽車發展是一大趨勢。目前發展趨勢有五個基本特徵：“電動化、輕量化、智能化、網聯化、共享化”，即“五化”。或者說，汽車未來發展是一個“5維”空間。
一、汽車“5維”空間的基本內容
(a)電動化是“5維”空間的第一維，是最基礎的。大力發展電動化技術，實現純電動（EV）、插電混動（PHEV）、混動（HEV）、燃料電池（FCV）汽車的並行發展；
(b)提高動力電池比能是一個長期的任務，要求整車輕量化是必然的。主要工作有：加快新材料、新工藝的應用和優化設計，積極推進高性能鋁合金、鎂合金等材料的應用和碳纖維車身一體化的設計，是當下十分重要的工作；
(c)智能化和網聯化，整車在端、管、雲模塊發力。打造支持綜合業務、個性化定製的5G核心業務+開放式車聯網平臺系統，才能追趕上汽車發展潮流；
(d)共享化,整車企業圍繞研發、生產、營銷以及服務四方面展開數字共享技術的全面研發，以支持後續的出行服務，適宜汽車轉型的要求。
二、電動化基本點是電機驅動技術的應用
汽車是載客（運貨）的移動工具之一。電氣化火車的驅動已經是電機驅動了。過去有一個流行的說法，“要想火車跑得快，全靠車頭帶”，而今天高速火車已經實現400公里/小時，卻沒有“火車頭”一說了。為什麼？現在高速火車在每一節車廂下面，都安裝了驅動電機。即使速度比較低的地鐵和輕軌，也是電機驅動了。無軌電車不是汽車，但是底盤結構與汽車最為接近的機動車，車輪是通用的，道路也是公用的，無軌電車也是電機驅動的。
載客（運貨）移動工具要實現電機驅動，不僅是夢想，也是汽車驅動技術發展的基本趨勢。
三、汽車驅動電機的基本類型
汽車驅動電機的基本類型是直流電機和交流電機。中學電學知識告訴大家，有電的地方，就有磁場，磁場力對金屬是有作用力的。電機要連續旋轉，必須要有360度磁場力。
直流電方向是不變的，邏輯上不存在直流電機，而是工程師在電機結構上，將其內部加裝上了換向器，將外部直流電變成360度變化的電，於是有了直流電機一說；交流電的方向是變化的，基本意思是，如果電機能接交流電，交流電機結構內部就相對簡單了。電機其旋轉原理，見圖（1）。
圖1 電機旋轉原理圖
目前，汽車的驅動電機，基本上是交流電機。而交流電機也是可以細分的。目前主要有交流感應電機和交流永磁同步電機。
1.交流電機的工作優點
交流電機由美籍塞爾維亞裔科學家尼古拉·特斯拉發明，是用於實現機械能和交流電能相互轉換的機械。交流電機與直流電機相比，由於沒有換向器（見直流電機的內部結構），因此結構簡單，製造方便，比較牢固，容易做成高轉速、高電壓、大電流、大容量的電機。交流電機功率的覆蓋範圍很大，從幾瓦到幾十萬千瓦、甚至上百萬千瓦。常用車載電機一般在幾十到三百千瓦之間。
2.交流感應電機基本原理
感應電機（Induction Motor ）定子與轉子之間靠電磁感應的作用，以轉子內感應電流，實現機與電能量轉換。感應電機一般用作電動機,見圖（2）
圖2 感應電機結構圖
理解：外部為電機提供的電源是交流電，電機定子線圈接通電源的交流電源，在轉子內感應出電流，兩個電流就有兩個電場，有了交變磁場，進而實現了轉子運轉，完成了機與電能量的轉換。
說明：當電機的負載沒有變化時，電機是一般不配電機調速器，比如工廠配備的電動機，是沒有配電機調速器的。這個場景下可以配的交流同步電機。而汽車的負載變化是隨機的，一般要有電機調速器，這個場景下，應配的是異步電機。
（1）交流感應電機工作原理
交流感應電機的定子是固定部件，但是接上交流電後，定子線圈裡，就會產生一個旋轉（交變）的磁場，這個定子磁場旋轉（交變）速度，叫輸入速度，轉子是旋轉的，這個速度叫電機的轉速，也叫輸出速度。
(a)同步電機：是指輸入速度與輸出速度之間變化節拍是一致的。這樣的交流電機是同步電機；
(b)異步電機：是指輸入速度與輸出速度之間變化節拍不是一致的。這樣的交流電機是異步電機。
（2）步電機調速原理
電動汽車的負載，由於其加速度的隨機變化的，一般採用異步交流電機，其調速原理：
公式告訴大家，調速的方法有：調頻-f，調極對數-p，還有調轉差率-s等。技術上，轉差率可以通過定子調壓，轉子串電阻，串級調速等實現，其中變頻是最常用的。目前常用的電供電局提供的50Hz的交流電。所謂變頻就是將常用50Hz的電流，變成其他頻率的交流電。
(a)變頻原理
較為流行的變頻方法，將頻率可調的交流電源，採用可控硅調速系統，先將交流電變換為電壓可調的直流電，然後再變換為頻率可調的交流電。
(b）變頻電路圖(見圖3.1、圖3.2)
圖3.1 單相電源變頻電路圖
圖3.2 三相電源變頻電路圖
變頻電路圖有單相和三相變頻兩種。
(c）變頻器控制方式
低壓通用變頻輸出電壓為380～650V，輸出功率為0.75～400kW，工作頻率為0～400Hz，它的主電路都採用交—直—交電路。其控制方式經歷了以下四代。
第一代技術：正弦脈寬調製(SPWM)控制方式
正弦脈寬調製(SPWM)控制方式，已在工業的各個領域得到廣泛應用。其特點：
(i)控制電路結構簡單、成本較低，機械特性硬度也較好，能夠滿足一般傳動的平滑調速要求;
(ii)低頻時，由於輸出電壓較低，轉矩受定子電阻壓降的影響比較顯著，使輸出最大轉矩減小;
(iii)動態轉矩能力和靜態調速性能都還不盡如人意，且系統性能不高、控制曲線會隨負載的變化而變化，轉矩響應慢、電機轉矩利用率不高，低速時因定子電阻和逆變器死區效應的存在而性能下降，穩定性變差等。
第二代技術：電壓空間矢量(SVPWM)控制方式
(i)一次生成三相調製波形，以內切多邊形逼近圓的方式進行控制的；
(ii)引入頻率補償，能消除速度控制的誤差;通過反饋估算磁鏈幅值，消除低速時定子電阻的影響;將輸出電壓、電流閉環，以提高動態的精度和穩定度；
(iii)控制電路環節較多，且沒有引入轉矩的調節，所以系統性能沒有得到根本改善。
第三代技術：矢量控制(VC)方式
矢量控制變頻調速的做法：
(i)異步電動機在三相座標系下的定子電流Ia、Ib、Ic、通過三相-二相變換，等效成兩相靜止座標系下的交流電流Ia1Ib1;
(ii)再通過按轉子磁場定向旋轉變換，等效成同步旋轉座標系下的直流電流Im1、It1(Im1相當於直流電動機的勵磁電流;It1相當於與轉矩成正比的電樞電流)，然後模仿直流電動機的控制方法，求得直流電動機的控制量，經過相應的座標反變換，實現對異步電動機的控制。
基本思路：將交流電動機等效為直流電動機，分別對速度，磁場兩個分量進行獨立控制。通過控制轉子磁鏈，然後分解定子電流而獲得轉矩和磁場兩個分量，經座標變換，實現正交或解耦控制。
困難之處：在實際應用中，由於轉子磁鏈難以準確觀測，系統特性受電動機參數的影響較大，且在等效直流電動機控制過程中所用矢量旋轉變換較複雜，使得實際的控制效果難以達到理想的結果。
第四代技術：直接轉矩控制變頻技術
該技術在很大程度上解決了上述矢量控制的不足，並以新穎的控制思想、簡潔明瞭的系統結構、優良的動靜態性能得到了迅速發展。目前，第四代技術在電動汽車的驅動電機應用不多。
3.永磁同步電機優點及控制原理
永磁的基本意思是，其轉子是永磁體（見圖轉子上沒有線圈）；同步的意思是，轉子的永磁體能保證是電機指輸入速度與輸出速度之間變化節拍是一致的。永磁同步電機內部結構,見圖（4）。
1.永磁同步電機的優勢
圖4 永磁同步電機內部結構
(a)效率高、更加省電。永磁同步電機的磁場是由永磁體產生的，從而避免了通過勵磁電流來產生磁場導致的勵磁損耗（銅耗）；
(b)在輕載時效率值,相比異步電機效率要高於異步電機20%以上,所以永磁同步電機在節能方面有優勢；
(c)永磁電機功率參數，不受電機極數的影響,便於設計成多極電機（如可以100極以上）,把傳統需要通過減速箱來驅動負載的電機，直接做成用永磁同步電機驅動的直驅系統，從而省去了減速箱，提高了傳動效率;
(d)永磁同步電機轉子結構大為簡化，不需要安裝導條、端環或轉子繞組；
(e)永磁同步電機體積小、功率密度大的優勢，起動力矩大、噪音小、溫升低。
隨著永磁體及永磁同步電機控制技術的日益成熟可靠,永磁同步電機,已經基本上是汽車驅動電動的首選。
2.永磁同步電機的控制原理
永磁同步電機的控制使用矢量控制,電壓調製方式一般採用SVPWM（空間矢量脈衝寬度調製）。
(a)電流控制基於轉子位置；
圖5 永磁同步電機轉矩公式
(b)控制策略為閉環控制，反饋量為三相電流和電機轉子位置。
3.永磁同步電機的速度控制邏輯圖
圖6 磁同步電機的速度控制邏輯圖
其核心技術是IGBT模快，見圖（7），是開關管，其功能是將直流電變成交流電，這個過程叫逆變，而將交流變成直流，其過程叫整流，其模塊的整流管構成。開關管發展到今天已經有幾代了，IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，絕緣柵雙極型晶體管，是由BJT（雙極型三極管）和MOS（絕緣柵型場效應管）組成的複合全控型電壓驅動式功率半導體器件， 兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導通壓降兩方面的優點。
圖7 IGBT模塊
車規級IGBT目前由BYD公司和中車公司為代表在追趕世界前沿水平。基本上能滿足中國新能源汽車發展需要。
四、汽車驅動電機的車載電源系統
無軌電車的電源由有線滑觸網提供，電動汽車與無軌電車最大區別是，電動汽車的電源是車載的，與供電網是非接觸式的。
傳統汽車的車載電源能量是借發動機動力，由車載發電機發電的電，給車載電池裡充電，再供其他電器使用，傳統汽車電器分佈見圖（8）。
圖8 傳統汽車電器分佈
目前傳統汽車的車載電源電壓是12V。電動汽車車載電源為驅動電機提供電壓，是高壓的，最低是48V，最高有600V。
1.電動汽車動力電池組
動力電池組是在物理上由單體電池先並聯，再串聯起來的；電動汽車動力電池是由動力電池組串聯起來的。
（1）單體電池按正極分類
（a)目前電動客車的主流電池是磷酸鐵鋰電池和錳酸鋰電池。其優點是安全性比較高。
（b)目前乘用車的主流電池是三元電池，其優點是比能量高。國產三元電池比能量已經實現了304wh/kg商業化裝車。
圖7.1 磷酸鐵鋰電池組
圖7.2 三元電池組
2.單體電池按外形分類
單體電池按生產工藝分為圓型、方形、扁形（軟包）三大類，見圖（8），其中圓型電池標準化、自動化生產較高，其一致性較好，扁形（軟包）電池比能量高一些。
圖8 圓型、方形、扁形（軟包）
3.電動汽車動力電池管理系統
動力電池系統，在物理上由上千個以上單體電池通過先並聯，再並聯起來的。由於生產工藝等原因，無法保證每一個單體電池在性能指標上保持絕對一致。站在電源的高度上，要監視單體電池一致性的變化，對衰減太快的單體電池要進行及時處理，來保障動力電池系統對外供電質量。
動力電池管理系統是採用計算機為中心的，對動力電池系統監控、監管的動態平衡控制系統。電池管理系統的基本功能可以分為檢測、管理、保護這三大塊。其外形見圖8。
圖8 電池管理系統產品外形
具體來看，主要由充電模塊、數據採集模塊（包括電壓，電流，溫度數據採集）、均衡模塊、電量計算模塊、數據顯示模塊和存儲通信模塊組成。系統框圖如下：
圖9 電池管理系統主要模塊
五、汽車驅動電機佈置形式
傳統汽車發動機的佈置基本有前置、中置、後置等三種，其中乘用車基本是發動機前置，平頭卡車是發動機前置，大型客車是發動機後置的，市場上中置發動機的汽車比較少。
電動汽車是電動機替代了發動機，電動機佈置更具靈活性。目前發動機有佈置在底盤（架）上、有佈置在車橋上、還有輪邊上和輪轂上。
1)中央電動機佈置在底盤（架）上
（字母代表：M：電機，C：離合器，GB：變速箱，FG:減速器）
圖10.1 電機替代發動機
圖10.2 沒有離合器、變速箱
(a)圖10.1 電機替代發動機，C：離合器，GB：變速箱，FG:減速器，依然保留；
(b)圖10.2 電機替代發動機,離合器、C：離合器，GB：變速箱、變速箱取消了，FG:減速器，依然保留；
2)中央電動機佈置在車橋上
圖10.3 車橋軸上串電機
圖10.4 車橋軸並電機
(c)圖10.3 M:電機、FG:減速器串聯在車橋軸上；
(d)圖10.4M:電機、FG:減速器並聯在車橋軸上；
圖10.5 輪邊電機方案
圖10.6 輪轂電機方案
(e)圖10.5 二組對稱M:電機、FG:減速器串聯在輪邊上（輪邊電機）；
(f)圖10.6二組M:電機對稱M:電機安裝在輪轂裡（輪轂電機）。
（說明：特斯拉電動乘用車是前（後）橋配電機，後橋是主電機，前橋是輔助電機方案，在商業化上取得成功。）
圖8 特斯拉汽車電機（前置、後置2個電機）
六、電動差速器
傳統汽車前橋是轉向橋，後橋是驅動橋。高速巡航時，後橋左右兩個輪子運動半徑是不同的，左右兩個輪子要協調一致，技術上在後橋上安裝了差速器。中央電動機佈置原則上是保留了差速器的。電動汽車如果要採用輪邊電機或者是輪轂電機方案，必須導入電動差速器。傳統汽車差速器,見圖9，是為了調整左右輪的轉速差而裝置的，其工作原理：
圖9 汽車差速器結構圖
(a)汽車行駛時，傳動軸傳過來的動力通過主動齒輪傳遞到環齒輪上，環齒輪帶動行星齒輪軸一起旋轉，同時帶動側齒輪轉動，從而推動驅動輪前進;
(b)當車輛直線行駛時，左右兩個輪受到的阻力一樣，行星齒輪不自轉，把動力傳遞到兩個半軸上，這時左右車輪轉速一樣（相當於剛性連接）；
(c)當車輛轉彎時，左右車輪受到的阻力不一樣，行星齒輪繞著半軸轉動並同時自轉，從而吸收阻力差，使車輪能夠與不同的速度旋轉，保證汽車順利過彎。
電動差速器基本工作原理，見圖（10）。
圖10 電動差速器工作系統原理
通過控制電機轉速（力矩大小），進而調整左右輪的轉速差。一句話，用行星齒輪結構實現差速器的功能，通過對不同電機的速度匹配控制，是可以實現電子差速器的。
七、電機驅動輔助發動機驅動技術
電機驅動汽車比發動機驅動汽車還早10年的時間。電機驅動汽車與發動機驅動汽車一直在PK，幾起幾落，發動機驅動汽車笑到了最後。電機驅動汽車起不來的主要原因是，動力電池比能量指標起不來，導致電機驅動汽車續航里程太短。發動機驅動汽車，今天因環保指標更為嚴苛，受到質疑。同時隨著鎳氫電池和磷酸鐵鋰電池的發明，電機驅動汽車迎來新的發展曙光。
但是，發動機驅動汽車比電機驅動汽車在綜合指標上已經領搖搖領先。電機驅動汽車要替代發動機驅動汽車，也有一段漫長的路要走，於是工程師提出電機驅動輔助發動機驅動技術。該技術就是目前業界提出的混動技術。按電機驅動輔助程度，有弱（10%）、中（30%）、強（50%）三種模式。
1）混合驅動的基本特點
混合驅動汽車一般是指內燃機車驅動，再加上電機驅動的汽車。傳統汽車的發電機發電供輔助總成用的，不給驅動電機供電。混合驅動汽車的驅動電機用的電機，一般來源車載動力電池。車載動力電池的電能來源基本途徑，一是用供電公司的電進行充電，二是車載發電機發的電。目前車載發電機發電模式有兩種，一是發動機驅動發電機發電，二是電化學發電（比如氫燃料電池）。
混合驅動的難點是如何“混”？於是出現了串聯、並聯、混聯、插電式、電電混合的一大堆的名詞。
（1）串聯式動力
串聯式動力由發動機、發電機和電動機三部分動力總成組成，它們之間用串聯方式組成SHEV動力單元系統，發動機驅動發電機發電，電能通過控制器輸送到電池或電動機，由電動機通過變速機構驅動汽車。串聯式動力原理見圖（11）。
圖11 串聯式動力原理
從圖11可以看出，串聯式是電機單一驅動車輪，車載充電機給動力電池組充電，發動機基本功是驅動發動機。其設計思路：
(a)小負荷時由電池驅動電動機驅動車輪,比如當電動車處於低速、滑行、怠速的工況時，則由電池組驅動電動機；
(b)大負荷時由發動機帶動發電機發電驅動電動機。比如當車輛處於啟動、加速、爬坡工況時，發動機、電動機組和電池組共同向電動機提供電能；
(c)當電池組缺電時則由（發動機-發電機組）向電池組充電。
串聯式結構適用於城市內頻繁起步和低速運行工況，可以將發動機調整在最佳工況點附近穩定運轉，通過調整電池和電動機的輸出來達到調整車速的目的。使發動機避免了怠速和低速運轉的工況，從而提高了發動機的效率，減少了廢氣排放。但是它的缺點是能量幾經轉換，機械效率較低。
（2）並聯式動力
並聯式裝置的發動機和電動機共同驅動汽車，發動機與電動機分屬兩套系統，可以分別獨立地向汽車傳動系提供扭矩，在不同的路面上既可以共同驅動又可以單獨驅動。兩個動力系統同時工作時，以機械方式實現動力耦合，動力的流向為並聯，所以稱為並聯式混合動力系統。 串聯式動力原理，見圖12。
圖12 串聯式動力原理
從圖12可以看出，電機既可作為電動機使用，也可作為發電機使用。其設計思路：
(a)當汽車加速爬坡時，電動機和發動機能夠同時向傳動機構提供動力;
(b)一旦汽車車速達到巡航速度，汽車將僅僅依靠發動機維持該速度;
(c)電動機既可以作電動機又可以作發電機使用，又稱為電動－發電機組。
由於沒有單獨的發電機，發動機可以直接通過傳動機構驅動車輪，這種裝置更接近傳統的汽車驅動系統，機械效率損耗與普通汽車差不多，得到比較廣泛的應用。
技術難點:在電機動力與發動機動力的耦合裝置上的設計和控制。
(3)混聯式動力
動力系統包括髮動機、發電機和電動機，根據助力裝置不同，它又分為發動機為主和電機為主兩種。
(a)以發動機為主的形式中，發動機作為主動力源，電機為輔助動力源；
(b)以電機為主的形式中，發動機作為輔助動力源，電機為主動力源。
圖13 混聯式動力原理
從圖13可以看出，混聯式混合動力驅動系統可以在串聯混合動力模式下工作，也可以在並聯混合動力模式下工作，即兩種模式的綜合。這就要求有一個智能化控制系統。其設計思路：
(a)發動機發出的功率一部分通過功率分流裝置（功率分配器），經機械傳動系統傳至驅動輪，另一部分則驅動發電機發電;
(b)發出的電能輸送給電動機或蓄電池，電動機的力矩同樣也可通過傳動系統傳送給驅動輪；
(c)混聯式驅動系統的一般控制策略是：在汽車低速行駛時，驅動系統主要以串聯式工作；當汽車高速穩定行駛時，則以並聯式為主。
該結構的優點是控制方便，缺點是結構比較複雜。豐田的Prius屬於以電機為主的形式。
圖14 豐田Prius混聯動力乘用車外形
八、總結
汽車電驅動技術比發動機驅動技術還要早10年以上。用電機驅動汽車替代發動機驅動汽車，一直是汽車人的夢想，但是動力電池比能量與汽（柴）油相比，相差實在是太遠了。近年來，動力電池比能量技術取得了快速的進步，純電驅動乘用車以特斯拉為代表，實現了批量化生產，在中國政府倡導下，2018年生產的120萬輛電動汽車中，已經超過100萬輛的純電動汽車。電機驅動替代發動機驅動技術，趨勢明顯。認真研究電機驅動技術和開發電動汽車是時代的要求。
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