純電動汽車電機及控制系統技術對比研究

霍汝鋒 譚立峰 賴艷

摘要：純電動汽車的驅動電機是電動車關鍵的零部件。電動車運行時工況復雜對電機的要求高，需具備調速區域寬廣、轉速高、效率高、可靠性強、成本低等特點。通過對四種電機的特性、控制系統的對比，分析其相關參數結合現階段研發方向，得出我國電動汽車電機將向永磁化、數字化、集成化發展。

關鍵詞：電動車電機；控制系統；技術

1引言

純電動車電機是電力驅動系統中關鍵的零部件，不同類型電機表現的性能差異比較大，控制方式各有特點。針對主流的四種電機的特性，進行功能分析、數據對比，尋找電動車電機的發展方向。電機是通過將蓄電池的電能（電流）經過功率轉化器轉化后輸送給電動機最終以動能的形式輸出，當汽車在減速制動或下坡等工況下將車輪的動能經能量回收系統轉化并收集存儲在蓄電池中，實現能量循環利用。

2電動汽車對電機的性能要求

一個高效率、高質量、高性價比的電機可以提高電動車的動力性和經濟性，因此對電機的性能要求：

（1）功率密度大。可滿足在啟動、停車、加減速等工況下運行。

（2）電機工作速域寬。電動車驅動的速度、轉矩變化范圍較大。

（3）成本低廉，維修容易。電機的零件價格低有利于電動汽車的使用推廣。

（4）可靠性強，性能穩定。各種惡劣的工作環境下能高效地完成工作。

3電機驅動系統的電機及控制器

電動車電機需要同時具備電動和發電的功能，目前實際應用或科學研發電動機類型有直流電動機、交流三相感應電動機、永磁同步電動機、開關磁阻電動機等。電機的控制系統起到調節電機運行狀態的作用，滿足在不同工況下的運行要求。

3.1直流電機及其控制系統

直流電機結構簡單，成本較低同時具有優秀的電磁轉矩控制特性，但缺陷同樣明顯在機械換向結構時比較容易產生電火花，在多塵和易燃易爆環境使用有安全隱患，此外換向器維護困難，轉速較低難以滿足電動車高轉速的需求。

斬波器是直流電機控制系統的重要組成部件，電動車的各種工況所需轉矩的數值不同，輸入的電流可驅動直流電機運行，斬波器的作用是控制輸入的電流的數值，按照電動車實際的需求進行調整。直流電機用斬波器作為其功率交換器，電力晶體投管調速裝置逐漸投入使用。

3.2交流三相感應電機及其控制系統

交流三相感應電機結構形式簡單，可靠性強，效率較高，性價比高。功率的范圍寬廣，可實現12000～15000r/min的轉速。在運行過程中其耗電量較大，轉子容易發熱，相比于直流電機調速方法更為復雜，但其綜合性能良好，目前國內的電動車主流電動機是交流三相感應電機。

交流三相感應電機的控制主要采用矢量控制技術，直流電需要逆變裝置進行轉換才能輸送給交流電機。交流電機主要采用直流斬波器加速逆變器和PWM（脈沖寬度調制）逆變器，PWM（脈沖寬度調制）逆變器線路簡單，傳輸能量環節少，效率高。

3.3永磁同步電機及其控制系統

永磁同步電機是利用永磁體建立勵磁磁場的同步電動機，其定子產生旋轉磁場，轉子用永磁材料制成。永磁同步電機既要把蓄電池的電能化為動能進行輸出，同時需要把減速、下坡時的動能轉化為電能儲存到蓄電池中，勵磁電流可以實現以上要求。獨特的轉子磁路結構是永磁同步電機的特征，表面突出式、表面插入式和內置式的結構形式可以作為區分形式。內置式的結構永磁電機適合用作高效率、高性能、高調速的電動車電機，其特點是結構靈活、設計自由度大、運行可靠。

永磁電機的控制系統技術與感應電機技術接近，目的是把電機的低速轉矩性能和電機的高速恒功率性能進行優化。控制方式根據電機轉速進行匹配，低速時采用矢量控制高速時采用弱磁控制。在25%-120%額定負載區域內可保持較高的效率和功率密度，恒轉矩區范圍比較寬廣，可持續延長到最高轉速的55%。永磁驅動電機具有功率密度高、轉速范圍廣、能量轉化效率高、性能強、成本適中等特點符合純電動汽車的性能需求，是后續電動汽車電機發展方向。

3.4開關磁阻電機及其控制系統

開關磁阻電機的定子和轉子鐵芯由眾多硅鋼片的組成。轉子沒有任何繞組，相比其他直流電機和感應電機沒有疲勞故障和轉速限制等問題，定子結構簡單，制造工藝簡單成本低。

通過控制相繞組的接通時間、斷開時間對應有相應的開啟角和關閉角，從而獲得相應的轉速、轉矩需求。開關磁阻在寬轉速和轉矩范圍內運行高效，響應速度快，但轉矩波動大，電機噪聲大、系統非線性等因素制約了其在電動汽車上的應用。

4結語

通過對四種電機的特性、控制系統的對比，分析其相關參數結合現階段我國電動汽車研發方向，可以預測到我國電動汽車的發展將以永磁化、效率高、可靠性強、性價比的電機為基礎進行發展。由本文表1中的數據可以觀察到，永磁電機在橫向對比中優勢明顯，具有高功率、寬轉速范圍、高可靠性、輕量化等優點，可滿足現在我國電動車發展的需求。在此優秀性能基礎上控制產品成本、提高產品可靠性將有利于我國電汽車的推動發展。