電動汽車驅動電動機及控制技術

改造者：吉學勇

隨著資源能源的逐漸枯竭和人們環保意識的增強，對于電動汽車的開發和研究成為了新的領域。本文從電動汽車驅動系統的結構類別和電機特點進行了簡要論述，重點就直流電動機、感應電動機、永磁電動機和開關磁阻電動機等四種電機及其控制技術進行詳細論述，并對電機及其控制技術的未來發展趨勢進行了預測。

石油能源是不可再生能源和污染性能源，隨著我國汽車保有量的逐年攀升，汽車尾氣污染日益成為大氣主要污染源之一。為了實現資源的高效利用，節省能源，降低污染物排放，以電力發電來替代燃油發電的電動汽車逐漸成為了新寵。近年來，政府在政策等各個方面給予電動汽車許多優惠條件，旨在鼓勵、發展和使用電動汽車。作為電動汽車的核心組成部件，不論是純電動汽車（EV）、混合電動汽車（HEV）還是燃料電池汽車（FCEV），電機控制系統都是其核心的關鍵性組成部件，是電動汽車整車功能的集成和優化的最為核心的單元部件，電控系統的安全可靠性如何會直接影響到整個電動汽車運行的穩定和安全，可以說，電動汽車中的電機控制系統是整個汽車產業信息化轉型的重要方面內容。

電動汽車驅動系統結構及電機特點

純電動汽車（EV）、混合電動汽車（HEV）以及燃料電池汽車（FCEV）中的電力驅動系統在布置和結構方面不盡相同，但基本上都包含了電機驅動設備、機械傳動設備以及車輪這三個主要部件。盡管電動汽車的驅動系統布置方式略有產別，但在電機驅動布置結構上則主要包括電動機、電子控制器和功率轉換器等三個部分，這三塊部件共同構成了電動汽車驅動系統的核心部件，其中，評價電動汽車驅動系統差異的最主要的是其中的電動機，目前，電動汽車的電動機主要有永磁無刷、開關磁阻、感應和直流四類（見表1）。

從表1 可以看出，永磁無刷電動機的整體評價是最好的，直流電動機評價效果不好，隨著電動汽車驅動技術的快速發展，在國外的許多大公司已經逐漸開始淘汰電動汽車中的直流驅動系統的應用和研發。就其原因主要是在控制性方面，永磁無刷電動機和感應電動機要明顯優于直流電動機，此外，永磁無刷電動機和感應電動機的生產成本低、功率密度高，后期維護較為簡便，而直流電動機在體積和質量方面大，成本也高。隨著電動汽車的廣泛應用，對于電機的要求也越來越高，對于可控性、制動再生效率、穩態精度以及轉速等方面都提出了更高要求，這也是未來電動驅動系統發展的研究和改進方向。

電動汽車驅動系統用電機種類及控制技術

電動汽車驅動電動機主要有直流電動機（DC）、感應電動機（IM）、永磁電動機（BDCM 和PMSN）以及開關磁阻電動機（SRM）四種。

直流電動機及控制技術

直流電動機結構較為簡單，是電動汽車中較早使用的驅動系統。但隨著控制技術的發展和電力電子技術的進步，直流驅動系統逐漸被淘汰，該結構的電動機機械轉向結構容易產生電火花而有一定的安全隱患，且也不適合在多塵、潮濕和易燃易爆等環境中工作和使用，換向器在后期的維護過程中較為困難，價格高、體積和重量大等劣勢。

表1 電動汽車驅動系統中的電機比較

圖1 直流電機驅動特性

圖2 永磁無刷同步電機驅動特性

感應電動機及控制技術

電動汽車的感應電動機變頻技術有矢量控制、轉差頻率控制和V/F 控制三種。其中，矢量控制又叫控制定子電流矢量，它是指在電動汽車中把異步電動機的定子電流矢量分解，進而產生相應的勵磁電流和轉矩電流，并分別加以控制，同時控制勵磁電流和轉矩電力之間幅值和相位，與直流電機相比，感應電機具有體積小、質量輕，與車體的適配性更好，以及運行穩定性強，后期維修簡單，維護費用較低等優勢，在電動汽車上得到了廣泛的應用。

永磁電動機及控制技術

永磁電動機主要有永磁無刷同步電機（PMSM）和永磁無刷直流電機（BDCM）兩種，目前從運用的實際現狀來看，大多數汽車生產企業多選擇永磁無刷同步電機。永磁無刷同步電機調速性能好，而且電機的功率密度高，運行效率優良等優點，但不足之處就是永磁材料時間一久會產生退磁效應，易腐蝕，因而生產成本較高。永磁同步電機的研究主要是弱磁控制領域。當增加電子直軸電流時，直軸電樞就會發生反應，從而削弱整個電機的氣隙磁場，實現弱磁增速的目的。

開關磁阻電動機及控制技術

開關磁阻電動機（SRM）最早正式推出的是英國，經過30 多年的發展，已經在我國逐漸應用到實際生產中，如我國第二汽車制造廠就使用過將SRM 應用到電動客車的生產中來。SRM 驅動系統較為復雜，具體來說是由SRM 電機、位置檢測器、控制器和功率變換器組成。而且SRM 電機驅動系統難以建模，是一種非線性，因此，對SRM 電機驅動系統的控制主要采用神經網絡控制和模糊邏輯控制法。SRM 電機具有控制方便、成本低、效率高等優點，也是現實中使用較為廣泛的一種電動汽車電機類型。

電動汽車電機控制技術發展趨勢展望

隨著電動汽車技術研發力度的加大，以及人們對電動汽車的認可度越來越高，未來電動汽車的發展前景將是十分廣闊。作為電動汽車的核心部件之一的電機及其控制技術也將會迎來良好的發展機遇期。未來電動汽車電機及其控制技術將會呈現出一下特點。

電機種類的多樣化

前文中敘述了當前較為普遍的四種電機，這幾種電機在性能的總體評價方面各有優勢，而且目前在不同的電動汽車中都還有應用，這其中要以永磁無刷直流電機和異步電機為主要的使用兩種電機類型。但是，隨著微電子技術、材料科學、數控技術的發展，可以預見的是在未來電機的種類會越來越多，例如在直流電機發展基礎上，逐漸開發出混合電機如永磁式開關磁阻等等多種形態。

電機控制的智能化

智能化是未來各個領域的發展方向，尤其是在電動汽車這樣高精尖領域，未來模糊控制、專家系統、神經網絡等非線性智能控制技術都會應用到電動汽車的電機控制系統中，電動汽車的電機控制將會取得良好的發展成果，智能化水平將會越來越高。

電機控制的數字化

計算機技術和微電子學的快速發展，大量微機專用的控制芯片和DSP 等等逐漸應用到電機控制系統中，目前用軟件控制系統來逐漸替代硬件系統成為了發展的主流，電機控制系統在數字化條件下實現了自我保護、自我故障監視和診斷等功能，全數字化正是當前電動汽車電機控制及交流傳動系統的重要發展趨勢。