純電動汽車用電機及其控制技術發展概況和趨勢

顧 燕

（常州劉國鈞高等職業技術學校，江蘇 常州 213025）

1 研究的背景及意義

1.1 研究的背景

隨著資源與環境雙重壓力的持續增大，電動汽車已成為未來汽車工業的發展方向。電動汽車具有環保、節約、簡單三大優勢，這在純電動汽車上體現尤為明顯：以電動機代替燃油機，由電機驅動而無需變速箱。相對于變速箱，電機結構簡單、運行可靠。

隨著國家節能與新能源汽車補貼政策的出臺，我國重點扶持純電動汽車的戰略路線基本確定。當前市場在售或即將進入市場的純電動汽車基本都是高端電動車，價格大都在15萬元以上，甚至有的達到20多萬元，即便是享受國家補貼，但大部分人還是覺得價格偏高，同時擔心充電設施不配套及電池的續航里程短等問題，導致企業已上“公告”的純電動汽車遲遲無法推出市場，個別已上市的產品也得不到消費者的認可，“熱政策”遇到了“冷市場”。相反，低速電動汽車因為價廉物美，得到了不少消費者的青睞。在山東、河北、河南、浙江等地一些城鎮，節能環保低速純電動汽車已形成一定的規模，數量日益增長。

1.2 研究的意義

發展低速電動汽車具有長遠的戰略意義。從現實角度來看，低速電動汽車是推動我國電動汽車產業化、開啟電動汽車大規模消費市場的最佳產品；從長遠發展來看，通過低速電動汽車的技術升級提升高端電動汽車的核心技術。相信國家行業主管部門會在立足國情的基礎上，出臺低速電動汽車標準法規，引導低速電動汽車行業的規范發展，為低速電動汽車健康發展營造良好的市場環境。

2 純電動汽車用電磁型電機分類介紹

純電動汽車用電磁型電機大致可以分為直流電機和交流電機，交流電機包括交流異步電機（感應電機）和交流同步電機。車用交流同步電機一般是永磁同步電機或是開關磁阻電機。當永磁同步電機工作在方波換向模式時，又常稱為無刷直流電機。

2.1 直流電機

直流電機由定子、轉子、換向器和電刷組成，定子上有磁極，轉子有繞組，通電后，轉子上也形成磁極，定子和轉子的磁場之間有一個夾角，在定轉子磁場的相互吸引下，使電機旋轉。直流電機商品化歷史最長，控制簡單且具有優良的電磁轉矩控制特性，串勵直流電機、他勵直流電機、永磁（有刷）直流電機控制系統至今仍在電動車輛中大量應用，缺點是電機本身結構復雜，機械換向，有電刷的維護問題，換向的電火花會產生嚴重的電磁干擾，高速可能有環火，不適宜高速運行，體積偏大，防護差。鑒于缺點眾多以及其他電機驅動系統的迅速發展，可以預見，直流電機將逐步被淘汰。

2.2 交流異步電機

交流異步電機由定子和轉子構成，簡單堅固，成本較低。在運行時，定子通過交流電而產生旋轉磁場，旋轉磁場切割轉子中的導體，在轉子導體中產生感應電流，轉子的感應電流產生一個新的磁場，兩個磁場相互作用則使轉子轉動。

3 電機控制技術發展概況

3.1 交流異步電機控制發展迅速

交流異步電機控制復雜，近年之所以得到迅速推廣，主要得益于電力電子技術、微處理器技術和交流電機控制技術的發展。交流異步電機的控制方式包括 V/f控制、滑差頻率控制、矢量控制（磁場定向控制和直接轉矩控制）。20世紀90年代前常用前兩種，但存在轉速控制范圍小，轉矩控制特性不理想的問題，近年來，為得到最佳的控制性能，高端電機控制器一般都采用矢量控制技術。

3.2 永磁同步電機應用廣泛

永磁同步電機是利用永磁體建立勵磁磁場的同步電機，其定子產生旋轉磁場，轉子用永磁材料制成，磁場相互作用使轉子轉動。永磁同步電機具有效率高、轉矩和功率密度大、功率因數高、可靠性高和便于維護等優點。

3.3 無刷直流電機成本優勢明顯

無刷直流電機多為表貼式永磁同步電機，但一般基于 Hall反饋采用方波換相控制，大大降低了控制器成本，但因受限于轉子位置分辨精度差（±30電角度）、控制策略過于簡單以及極差的高速弱磁性能，較少作為車用中置驅動電機。

3.4 開關磁阻電機應用受限

開關磁阻電機的定子和轉子鐵心均由硅鋼片疊壓而成定，轉子沖片均有一齒槽，構成雙凸極結構，依定子和轉子片上齒槽的多少，形成不同的極數。開關磁阻電機的工作原理遵循“磁阻最小原理”——磁通總是沿磁阻最小的路徑閉合，因此，由磁場扭曲而產生磁阻性質的電磁轉矩。

4 國內外發展趨勢

4.1 基于成本分析

對低壓（100VDC以內）、微型、低速（最高70 km/h）純電動汽車的應用，考慮市場成熟度和成本因素，應優先考慮交流異步電機控制系統，未來可逐漸向內置式永磁同步電機控制系統過渡。

4.2 國內外主流車用低壓控制器廠家

目前，中國市場上供應的車用低壓交流電機控制器產品的公司主要包括：

（1）國際上專業提供電動車輛交流控制器的廠商，如美國Curtis、英國 Sevcon、意大利 ZAPI、意大利 SME、美國 Danaher、英國PG，這些企業在電動車輛領域積累多年，有成熟的產品，但并非專門針對電動汽車應用，很多產品的市場定位僅為交流電控叉車領域。

（2）國內專業從事電動車輛電機控制器研發生產的公司，如深圳大地和、北京時光科技、上海電驅動、天津松正（提供永磁同步電機控制系統）、上海大郡，交流電機控制器一般在2010年以后研發完成或正在研發之中，功能不夠全面，性能不夠高、也不夠穩定。

（3）國內從事工業用交流電機控制器研發生產的公司，成立車用電機控制器的事業部，如匯川技術。由于車用低壓交流控制器與工業用變頻器在技術上有一定的相通性，匯川技術利用它在交流電機控制方面的技術優勢以及批量生產能力迅速開發出車用交流電機控制器并將其推向市場，但因為企業進入電動汽車領域的時間不長，對需求的把握還有所欠缺。

可見，車用低壓交流控制器的市場成熟度不高，未來隨著微型汽車電機驅動系統需求量的逐漸增大，相信越來越多的企業會加入到研發、制造車用低壓交流控制器的行列中。

4.3 交流電機控制技術的飛躍發展

交流異步電機是一個多變量、非線性、強耦合的復雜系統，這也是其控制難的根源所在。過去的標量控制方法（如 V/f控制、滑差頻率控制）都是從電機穩態方程的角度研究其控制特性，因此保持定子、氣隙或是轉子磁鏈恒定僅有穩態下成立，動態控制效果很不理想。而矢量控制從TM坐標系（M軸按轉子磁鏈的方向定向）下的交流異步電機模型出發，采用矢量變換的方法研究電機的動態過程，不僅控制電流、磁鏈變量的幅值，同時控制其相位，并利用現代控制理念，巧妙實現了交流電機磁通和轉矩的解耦控制，促成了高性能交流異步電機控制系統的出現，控制性能完全可以媲美有刷直流電機。可以說，矢量控制是交流電機控制技術的一次飛躍。隨著微處理器技術的發展，數字控制芯片的運算能力和可靠性得到很大提高，這為實施復雜的交流電機控制算法提供了硬件支撐。

5 結束語

目前，可以確定的是，直流電機將逐步被交流電機取代，開關磁阻電機應用還不成熟，然而交流異步電機、永磁同步電機孰優孰劣還難下定論。近年來，在批量生產的日本電動汽車車型上以內置式永磁同步電機為主流，而美、歐開發的電動汽車多采用交流異步電機。

［1］侯卓生.異步電動機的矢量控制與四種新型DSP處理器［J］.西北民族學院學報（自然科學版），2001（03）.