燃料電池電動汽車驅(qū)動電機及其控制技術(shù)

劉俊駿 宋雨茜 歐俊陽

摘 要：燃料電池電動汽車是根據(jù)原電池的原理，將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，再通過驅(qū)動系統(tǒng)將電能轉(zhuǎn)化為機械能，由于其產(chǎn)物是水，因此對環(huán)境無污染。本文主要討論了不同的電機驅(qū)動形式及其控制技術(shù)。

關(guān)鍵詞：燃料電池；電動汽車；驅(qū)動電機；控制技術(shù)

目前，石油等資源正在進一步匱乏，而且環(huán)境問題也日趨嚴重，因此社會對資源和環(huán)境的重視度正在逐步提高，燃料電池電動汽車作為一種新的節(jié)能環(huán)保的交通工具正受到來自各國政府的高度重視。

1 FCEV的結(jié)構(gòu)及其工作原理

1.1 FCEV動力系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

FCEV的基礎(chǔ)是傳統(tǒng)的燃油汽車，目前許多已經(jīng)應(yīng)用在FCEV上的技術(shù)參數(shù)都是由燃油汽車上的相關(guān)參數(shù)修改而來的，因此就外形來看，F(xiàn)CEV的外形特點和傳統(tǒng)的燃油汽車幾乎沒有差別，但是兩者在動力系統(tǒng)上卻有著明顯差異。

鑒于電機驅(qū)動獨有的一些特點，所以FCEV在其結(jié)構(gòu)、性能與技術(shù)參數(shù)上也有其獨到的一面。

1.2 燃料電池的工作原理

燃料電池的本質(zhì)就是原電池，它能將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，在陽極上提供氫氣，陰極上提供氧氣，氫氣在催化劑Pt的作用下失去電子形成H+，留在電解液中，而電子則沿外部電路流到陰極，形成電流。

在陰極上，O2與H+在Pt的作用下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成水，理論上只要原料能持續(xù)輸入和產(chǎn)物水能及時排出，那么這個裝置就能持續(xù)的向外供電。

2 FCEV驅(qū)動電機的作用

驅(qū)動系統(tǒng)的核心部件是電機，電機將燃料電池發(fā)出的電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能驅(qū)動電動汽車運動，所以FECV的動力性能將直接由電機來保證。

3 燃料電池電動汽車驅(qū)動電機的種類及其控制方法

驅(qū)動電機及其控制技術(shù)是電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)重點研究對象，目前根據(jù)電機的種類不同可以分為直流電機、交流異步電機、永磁同步電機和開關(guān)磁阻電機4種。直流電機因為其結(jié)構(gòu)簡單易于調(diào)整等優(yōu)勢最早應(yīng)用在電動汽車上，但隨著技術(shù)的不斷革新，交流電機展現(xiàn)出來的優(yōu)勢更強于直流電機。

3.1 直流電機驅(qū)動系統(tǒng)及其調(diào)節(jié)方法

直流電機的主要組成部件是換向器，轉(zhuǎn)子和定子。與其他電機相比直流電機具有成本更低、易于維修、起動性能好的特點。由于其控制技術(shù)簡單且調(diào)速特別方便等優(yōu)勢，目前直流電機仍然用在了城市無軌電車上。

現(xiàn)階段直流電機的控制技術(shù)常采用電樞電壓調(diào)節(jié)法、磁場調(diào)節(jié)法和電樞回路電阻調(diào)節(jié)法這三種控制方法。

電樞電壓調(diào)節(jié)法，顧名思義就是通過改變電壓的方法來控制電機的轉(zhuǎn)速，常被用作對直流電機的調(diào)速控制。

磁場調(diào)節(jié)法是通過對磁通量的調(diào)節(jié)來改變電機轉(zhuǎn)速。

電樞回路電阻調(diào)節(jié)法是通過對電樞回路電阻的調(diào)節(jié)來使電流發(fā)生變化進而改變電樞的轉(zhuǎn)矩。

3.2 交流異步電機驅(qū)動系統(tǒng)及其調(diào)節(jié)方法

交流異步電機的主要部件是定子和轉(zhuǎn)子。交流異步電機的主要優(yōu)點在于它工作可靠且效率較高，但是它的調(diào)速系復(fù)雜，并且成本高。雖然交流異步電機的應(yīng)用正在逐步擴大，但是因為轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時會發(fā)熱，所以需要在電機內(nèi)設(shè)置制冷機構(gòu)對電機進行冷卻。現(xiàn)在，一些電動客車也已經(jīng)采用交流異步電機系統(tǒng)。交流異步電機的控制方法主要有FOC和DTC兩種。

3.3 永磁同步電機驅(qū)動系統(tǒng)及其調(diào)節(jié)方法

永磁同步電機的主要部件是定子和轉(zhuǎn)子。概括來說，永磁同步電機工作時噪聲小且工作所產(chǎn)生的損耗小，另外它還有體積小和結(jié)構(gòu)簡單等的優(yōu)點，但是由于目前技術(shù)的不成熟，因此還存在著成本高和起動困難的缺陷。永磁同步電機的控制方法有矢量控制（磁場定向控制）和直接轉(zhuǎn)矩控制等。

3.4 開關(guān)磁阻電機驅(qū)動系統(tǒng)及其調(diào)節(jié)方法

開關(guān)磁阻電機也稱SRM，它的主要部件是轉(zhuǎn)子、定子和電子開關(guān)。SRM是一種新型電動機。開關(guān)磁阻電機能夠滿足電動汽車四象限的運行要求，具有散熱性好，成本低等優(yōu)點。

開關(guān)磁阻電機轉(zhuǎn)子上沒有繞組和永磁體，因此它的結(jié)構(gòu)是四種電機中最堅固的。但是，由于開關(guān)磁阻電動機工作時電壓的階躍性變化，電流和徑向力會產(chǎn)生突變進而產(chǎn)生很大的脈動。由于電機的設(shè)計和裝配問題使其在工作時會產(chǎn)生噪聲和振動，轉(zhuǎn)矩脈動嚴重。APC、CCC和VC是開關(guān)磁阻電機的主要控制方法。

4 燃料電池電動汽車電機控制技術(shù)發(fā)展趨勢

就當(dāng)前控制技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r來看，自適應(yīng)控制技術(shù)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)等控制技術(shù)正在不斷地應(yīng)用到驅(qū)動電機的控制技術(shù)上去。為了滿足電動汽車的各項性能要求驅(qū)動電機的控制技術(shù)將向著電機控制的智能化和數(shù)字化方向發(fā)展。

電機控制的智能化是各個不同領(lǐng)域的發(fā)展方向，未來像神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等這些非線性的智能控制技術(shù)都會大面積的應(yīng)用到驅(qū)動電機的控制系統(tǒng)中去，智能化的水平將會越來越高。

電機控制的數(shù)字化，計算機的持續(xù)快速發(fā)展，使得目前只應(yīng)用在微機上的控制芯片等會逐漸應(yīng)用到驅(qū)動電機的控制系統(tǒng)。電機控制的數(shù)字化能夠?qū)崿F(xiàn)自我保護和自我診斷等功能，因此數(shù)字化是當(dāng)前電動汽車驅(qū)動電機控制的發(fā)展趨勢。

參考文獻：

[1] 尹安東，余霞.燃料電池電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)及其控制技術(shù)[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2007（4）.

[2] 喻媛媛，何耀華.燃料電池電動汽車技術(shù)[J].汽車工程師，2009（5）.

[3] 王知學(xué)，劉媛，張云，張偉.電動汽車驅(qū)動電機及控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀[J].山東科學(xué)，2010（3）.

[4] 范思廣.電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)及其控制技術(shù)的研究[J].汽車零部件，2011（8）.

[5] 侯明，衣寶廉.燃料電池技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J].電化學(xué)，2012，18（1）.

[6] 羅龍飛，袁守華.電動汽車驅(qū)動電機及其控制系統(tǒng)應(yīng)用概述[J].汽車實用技術(shù)，2014（4）.

作者簡介：

劉俊駿（1994-），女，漢族，四川犍為人，本科，西華大學(xué)，研究方向：汽車設(shè)計與制造；

宋雨茜（1994-），女，漢族，四川眉山人，本科，西華大學(xué)，研究方向：汽車設(shè)計與制造；

歐俊陽（1994-），男，漢族，四川渠縣人，本科，西華大學(xué)，研究方向：汽車電子技術(shù)。