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《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　恒转矩曲线和转矩电流比曲线 …………………… 91

3.4.3　弱磁控制与转矩电压比曲线 ……………………… 92

3.4.4　定子电流控制运行 ………………………………… 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

贡俊，研究员级高工，上海电驱动股份有限公司董事长，国家科技部“十三五”新能源汽车重点研发专项总体组专家、国家“万人计划”批科技创新领军人才、电驱动汽车电驱动系统全产业链产业技术创新联盟理事长，上海汽车电驱动工程技术研究中心主任、上海市青年科技杰出人才、享受国务院特殊津贴专家。主持了多项科技部、工信部、上海市科技攻关和高新技术产业化等车用驱动电机系统专项，主持多项电动汽车电机及其控制器相关国家和行业标准制修订，获授权专利10余项，发表论文20余篇，出版专著1本。

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前言

前言：

2014 年 5 月 24 日，总书记在上海汽车集团考察时指出：“发展新能源汽车是我国从汽车大国迈向汽车强国的必由之路。”他的重要讲话为我国汽车工业的发展指明了前进和发展方向。2010 年，国家把新能源汽车列入七大战略性新兴产业之一；2015 年，节能与新能源汽车列入《中国制造 2025》十大重点支持领域之一。 

保障我国能源安全、实现节能和环保、促进汽车产业技术革命及产业转型升级，是发展新能源汽车的国家战略和大势所趋。以新能源汽车为基础的智能网联汽车，将会在生产环节以及整个消费环节、服务环节取得全面发展。

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《电动汽车工程手册》的编写初衷，是响应国家建设制造强国的发展战略目标要求，系统地、完整地梳理我国电动汽车这 20 多年来的知识体系，对电动汽车各个关键细分领域专题技术路线进行深入剖析，总结电动汽车现有技术成果，强化关键共性技术，引领技术发展方向，希望能够从供给侧的角度推进电动汽车产业链全面发展。

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从 2016 年开始，《电动汽车工程手册》编撰委员会盛情邀请在智能网联新能源汽车研究开发和产业化领域积极进取、攻坚克难和卓有建树的相关单位和专家，积极参与《电动汽车工程手册》的编撰工作。这套手册的编撰是一个从无到有的大工程，三年来，在千余位专家学者的共同努力下，书稿终成。

本手册集成产、学、研各方力量和智慧，实属来之不易。在这里，衷心地感谢《纯电动汽车整车设计》林程主编 / 林逸主审、《混合动力电动汽车整车设计》何洪文主编 / 张俊智主审、《燃料电池电动汽车设计》章桐主编 / 李骏主审、《动力蓄电池》肖成伟主编 / 夏保佳主审、《驱动电机与电力电子》贡俊主编 / 温旭辉主审、《智能网联》李*强主编 / 李骏主审、《基础设施》张维戈主编 / 王丽芳主审、《测试评价》周舟主编 / 刘敬平主审、《运用与管理》王震坡主编 / 王云鹏主审、《标准与法规》吴志新主编 / 廉玉波主审；感谢北汽新能源、宁德时代、福田汽车、广汽新能源、宇通客车、比亚迪汽车、中国一汽、东风汽车、上汽集团、长安新能源、奇瑞新能源等知名企业的技术总监和技术专家；感谢清华大学、北京理工大学、北京航空航天大学、北京交通大学、同济大学、吉林大学、南开大学、天津大学、重庆大学、湖南大学等院校的教授和老师；感谢中国电子科技集团公司第十八研究所、中国科学院电工研究所、中国科学院理化技术研究所、中国汽车技术研究中心有限公司、中国汽车工程研究院股份有限公司等研发机构的工程师。 

《电动汽车工程手册》还是一个新生儿，希望大家能够不断地对之修正补充完善，使之始终伴随并助力中国电动汽车产业的健康成长。 

手册终于和大家见面了，但在总体编排和一些具体问题的处理上仍有许多不尽人意之处，欢迎广大读者批评指正，并请将意见和建议发到邮箱 evhandbook@163.com。感谢大家的支持！

                                                       孙逢春