《电动汽车工程手册 第五卷 驱动电机与电力电子》从电动汽车应用需求出发，系统梳理了车用驱动电机与电力电子变换器的设计理论与工程方案。本卷结合案例分析，从驱动电机系统的关键材料和零部件、永磁电机、异步电机、电机控制器的功率电路、驱动与控制电路、驱动电机调速原理及控制方法、软件设计与功能安全等进行了全面的阐述；同时对电动汽车的高速减速器和DC/DC 变换器两个专用零部件进行了介绍，对电驱动总成振动噪声和电磁兼容做了专题分析。本卷总结了编者和编写团队多年来在电动汽车驱动电机及其控制系统领域的设计、工程开发及应用经验，突出驱动电机及其控制系统在电动汽车中的应用解决方案，为广大工程技术人员提供工程参考。
第 1 篇 基 础 知 识
第1章概述
1.1 电动汽车驱动电机系统 ………………………………………… 3
1.2 驱动电机系统的设计要求 ……………………………………… 4
1.2.1 电动汽车对驱动电机系统的设计需求 ………………… 4
1.2.2 驱动电机系统的主要类型 ……………………………… 6
1.3 车用驱动电机系统的发展现状与趋势 ………………………… 7
1.3.1 我国车用驱动电机系统产业总体发展概况 …………… 7
1.3.2 我国车用驱动电机系统总体技术进展概况 …………… 9
1.3.3 国外车用驱动电机系统技术发展概况 ………………… 19
1.3.4 轮毂电机发展概况 ……………………………………… 24
1.3.5 我国电动汽车驱动电机系统技术发展趋势 …………… 31
参考文献 ……………………………………………………………… 32
第 2 篇 驱 动 电 机
第2章 零部件 关键材料和 驱动电机的
2.1 无取向硅钢材料 ………………………………………………… 35
2.1.1 性能要求 ………………………………………………… 35
2.1.2 材料特性 ………………………………………………… 36
2.1.3 影响因素分析 …………………………………………… 40
2.1.4 典型产品 ………………………………………………… 42
2.2 稀土永磁材料 …………………………………………………… 44
2.2.1 性能要求 ………………………………………………… 44
2.2.2 主要成分 ………………………………………………… 45
2.2.3 制备工艺 ………………………………………………… 47
2.2.4 典型产品 ………………………………………………… 49
2.3 绝缘系统 ………………………………………………………… 50
2.3.1 漆包线 …………………………………………………… 51
2.3.2 绝缘材料 ………………………………………………… 53
2.4 高速轴承 ………………………………………………………… 56
2.4.1 性能要求 ………………………………………………… 56
2.4.2 主要类型及结构 ………………………………………… 56
2.4.3 选型及关键指标 ………………………………………… 57
2.4.4 寿命校核 ………………………………………………… 58
2.5 位置传感器 ……………………………………………………… 60
2.5.1 旋转变压器 ……………………………………………… 60
2.5.2 磁编码器 ………………………………………………… 63
参考文献 ……………………………………………………………… 68
第3章永磁同步电机
3.1 概述 ……………………………………………………………… 71
3.2 主要结构及零部件 ……………………………………………… 73
3.2.1 基本结构 ………………………………………………… 73
3.2.2 定子总成 ………………………………………………… 74
3.2.3 转子总成 ………………………………………………… 81
3.2.4 冷却结构 ………………………………………………… 84
3.3 永磁同步电机稳态工作特性 …………………………………… 87
3.3.1 电压方程式和相量图 …………………………………… 87
3.3.2 功率和转矩 ……………………………………………… 89
3.4 永磁同步电机的变频调速特性 ………………………………… 90
3.4.1 电压极限椭圆和电流极限圆 …………………………… 90
3.4.2 恒转矩曲线和最大转矩电流比曲线 …………………… 91
3.4.3 弱磁控制与最大转矩电压比曲线 ……………………… 92
3.4.4 定子电流最佳控制运行 ………………………………… 93
3.5 永磁同步电机多领域集成与多层面协同设计方法 …………… 96
3.5.1 基本设计准则 …………………………………………… 96
3.5.2 永磁同步电机多领域集成设计方法 …………………… 97
3.5.3 永磁同步电机多层面协同仿真 ……………………… 103
3.5.4 样机设计及验证 ……………………………………… 107
参考文献 ……………………………………………………………… 111
第4章 动电机 异步驱
4.1 概述 ………………………………………………………………113
4.2 异步驱动电机结构 ………………………………………………115
4.2.1 基本结构 …………………………………………………115
4.2.2 转子 ………………………………………………………116
4.2.3 测速系统 …………………………………………………118
4.3 异步驱动电机稳态工作特性 ……………………………………119
4.3.1 运行原理 …………………………………………………119
4.3.2 稳态运行特性 ………………………………………… 120
4.4 异步驱动电机变频运行 ……………………………………… 123
4.4.1 恒磁通区的运行特性 ………………………………… 124
4.4.2 恒电压区驱动电机的运行特点 ……………………… 124
4.5 基于多领域集成与多层面协同的异步驱动电机设计方法 … 125
4.5.1 设计任务 ……………………………………………… 125
4.5.2 设计流程 ……………………………………………… 126
4.5.3 设计方法 ……………………………………………… 133
参考文献 …………………………………………………………… 138
第5章高速减速器
5.1 概述 …………………………………………………………… 139
5.1.1 高速减速器的工作原理 ……………………………… 139
5.1.2 基本类型 ……………………………………………… 139
5.2 主要结构及零部件 ………………………………………………141
5.2.1 减速机构 ……………………………………………… 142
5.2.2 驻车机构 …………………………………………………151
5.2.3 箱体 …………………………………………………… 160
5.2.4 差速器 ……………………………………………………161
5.2.5 密封 …………………………………………………… 162
5.3 减速器的特性（高速性）及设计 …………………………… 162
5.3.1 减速器的特性 ………………………………………… 162
5.3.2 减速器设计 …………………………………………… 162
5.4 典型高速减速器产品 ………………………………………… 164
5.4.1 横置减速器 …………………………………………… 164
5.4.2 纵置减速器 …………………………………………… 166
5.4.3 两档减速器 …………………………………………… 166
参考文献 …………………………………………………………… 169
第6章电驱动总成振动噪声
6.1 电驱动总成振动噪声分类 ………………………………………171
6.1.1 电驱动总成振动噪声概述 ………………………………171
6.1.2 机械振动噪声 ………………………………………… 172
6.1.3 气动噪声 ……………………………………………… 174
6.1.4 电流谐波噪声 ………………………………………… 175
6.1.5 电磁振动噪声 ………………………………………… 176
6.1.6 减速器噪声 …………………………………………… 177
6.2 电驱动总成振动模态 ………………………………………… 179
6.2.1 电机振动模态 ………………………………………… 180
6.2.2 减速器振动模态 …………………………………………181
6.3 电机径向电磁力 ……………………………………………… 182
6.4 齿轮动态啮合力 ……………………………………………… 184
6.4.1 齿轮啮合刚度激励 …………………………………… 184
6.4.2 齿轮啮合误差激励 …………………………………… 186
6.4.3 齿轮啮合冲击激励 …………………………………… 188
6.4.4 减速器壳体辐射噪声 ………………………………… 188
6.5 电驱动总成噪声的评价 ……………………………………… 188
6.5.1 基本声学参数 ………………………………………… 189
6.5.2 声品质参数 …………………………………………… 190
6.6 电驱动总成噪声的测量方法 ………………………………… 196
6.6.1 测量要求 ……………………………………………… 196
6.6.2 声功率级的测定 ……………………………………… 196
6.6.3 表面声压级的测定 …………………………………… 197
参考文献 …………………………………………………………… 199
第 3 篇 电 力 电 子
第7章电机控制器的关键零部件
7.1 功率器件 ……………………………………………………… 203
7.1.1 IGBT 功率器件 ……………………………………… 203
7.1.2 SiC 功率器件 ………………………………………… 207
7.2 支撑电容 …………………………………………………………211
7.2.1 直流电容器参数需求 ……………………………………211
7.2.2 膜电容器技术特点 …………………………………… 212
7.2.3 膜电容器关键技术 …………………………………… 214
7.3 传感器 ………………………………………………………… 216
7.3.1 电流传感器 …………………………………………… 216
7.3.2 温度传感器 …………………………………………… 218
7.4 滤波器 ………………………………………………………… 219
7.4.1 滤波器基本需求 ……………………………………… 219
7.4.2 车用滤波器设计 ……………………………………… 220
参考文献 …………………………………………………………… 223
第8章功率电路集成
8.1 电力电子集成设计方法 ……………………………………… 227
8.1.1 电力电子集成设计概念 ……………………………… 227
8.1.2 电力电子集成设计实现 ……………………………… 228
8.2 电力电子集成设计实例 ……………………………………… 232
8.2.1 单电机控制器 ………………………………………… 232
8.2.2 DC/AC+DC/DC 集成控制器 ………………………… 234
8.2.3 双电机控制器 ………………………………………… 236
参考文献 …………………………………………………………… 239
第9章控制与驱动电路
9.1 微控制器 ……………………………………………………… 241
9.1.1 恩智浦 MPC5643L …………………………………… 241
9.1.2 恩智浦 MPC5744P …………………………………… 245
9.1.3 英飞凌 TC275 ………………………………………… 248
9.2 MCU 控制电路设计 ………………………………………… 251
9.2.1 MCU 供电电源配置 ………………………………… 251
9.2.2 MCU 外围电路配置 ………………………………… 252
9.3 开关电源设计 ………………………………………………… 256
9.3.1 开关电源的主要拓扑结构 …………………………… 256
9.3.2 反激式开关电源设计 ………………………………… 262
9.4 信号处理电路设计 …………………………………………… 266
9.4.1 温度采样电路 ………………………………………… 266
9.4.2 电压采样电路 ………………………………………… 267
9.4.3 电流采样电路 ………………………………………… 267
9.4.4 旋变解码电路 ………………………………………… 268
9.5 驱动电路设计 ………………………………………………… 271
9.5.1 典型驱动电路的隔离方式 …………………………… 271
9.5.2 驱动电路参数设计 …………………………………… 273
参考文献 …………………………………………………………… 275
第 10 章驱动电机系统控制算法及软件架构
10.1 永磁同步电机控制方法 …………………………………… 277
10.1.1 永磁同步电机矢量控制方法 ……………………… 277
10.1.2 永磁同步电机直接转矩控制方法 ………………… 282
10.1.3 永磁同步电机两种控制方法的比较 ……………… 287
10.2 交流异步电机控制方法 …………………………………… 288
10.2.1 基本控制方法 ……………………………………… 288
10.2.2 交流异步电机动态数学模型 ……………………… 289
10.2.3 交流异步电机矢量控制系统 ……………………… 291
10.2.4 交流异步电机直接转矩控制系统 ………………… 293
10.3 AUTOSAR 软件架构 ……………………………………… 295
10.3.1 基础软件层 ………………………………………… 299
10.3.2 应用软件层 ………………………………………… 306
10.4 电机软件设计方法及流程 ………………………………… 312
10.4.1 CMMI 和 ASPICE 模型 …………………………… 312
10.4.2 MCU 软件开发流程 ………………………………… 313
10.4.3 MISRA-C 规范 ……………………………………… 315
参考文献 …………………………………………………………… 316
第 11 章 统功能安全 驱动电机系
11.1 功能安全标准………………………………………………… 317
11.2 概念阶段的功能安全开发 ………………………………… 321
11.3 系统功能安全开发 ………………………………………… 322
11.4 硬件功能安全开发 ………………………………………… 323
11.5 软件功能安全开发…………………………………………… 326
11.6 功能安全产品生产发布 …………………………………… 329
参考文献 …………………………………………………………… 330
第 12 章 DC/DC 变换器
12.1 分类及原理 ………………………………………………… 333
12.2 DC/DC 降压变换器………………………………………… 334
12.2.1 电路结构 …………………………………………… 334
12.2.2 工作原理 …………………………………………… 335
12.2.3 工作模式 …………………………………………… 335
12.2.4 CCM 降压变换器的输出电压 ……………………… 336
12.2.5 CCM 降压变换器的电感纹波电流 ………………… 337
12.2.6 CCM 降压变换器的电容纹波电压 ………………… 338
12.2.7 CCM 与 DCM 的边界 ……………………………… 339
12.2.8 DCM 电路的输出电压 ……………………………… 340
12.3 DC/DC 升压变换器………………………………………… 341
12.3.1 电路结构 …………………………………………… 341
12.3.2 工作原理 …………………………………………… 342
12.3.3 CCM 升压变换器的输出电压 ……………………… 342
12.3.4 CCM 升压变换器的电感纹波电流 ………………… 343
12.3.5 CCM 升压变换器的电容纹波电压 ………………… 344
12.3.6 CCM 和 DCM 的边界 ……………………………… 344
12.3.7 DCM 电路的输出电压 ……………………………… 345
12.4 DC/DC 变换器组合电路…………………………………… 346
12.4.1 半桥 DC/DC 变换器电路 …………………………… 346
12.4.2 H 桥 DC/DC 变换器电路 …………………………… 346
12.5 DC/DC 隔离变换器………………………………………… 347
12.5.1 单端正激式 DC/DC 隔离变换器电路 ……………… 347
12.5.2 H 桥式 DC/DC 隔离变换器电路 …………………… 348
12.6 谐振式 DC/DC 变换器 …………………………………… 349
12.7 DC/DC 变换器车载应用…………………………………… 350
12.7.1 电驱动系统双向 DC/DC 变换器 …………………… 351
12.7.2 高低压变换隔离 DC/DC 变换器 …………………… 352
12.7.3 48V 混合动力系统 DC/DC 变换器 ………………… 352
参考文献 …………………………………………………………… 353
第 13 章 驱动电机系统的电磁兼容
13.1 车用驱动电机系统电磁兼容机理 ………………………… 355
13.1.1 电磁干扰分类 ……………………………………… 355
13.1.2 差模干扰与共模干扰 ……………………………… 357
13.1.3 车用驱动电机系统干扰源分析 …………………… 358
13.1.4 车用驱动电机系统干扰传输路径分析 …………… 358
13.2 车用驱动电机系统电磁干扰防治 ………………………… 362
13.2.1 电路 EMC 设计准则 ………………………………… 362
13.2.2 电磁干扰滤波器 …………………………………… 367
13.2.3 优化驱动电路设计 ………………………………… 372
13.2.4 改进高频调制策略 ………………………………… 373
13.2.5 改进电路拓扑 ……………………………………… 376
13.2.6 应用举例 …………………………………………… 378
参考文献 …………………………………………………………… 381
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