電動汽車電動機的結構與控制策略

由于能源、環(huán)境問題和社會的高度關注，電動汽車的發(fā)明被認為是個人和城市交通的有前途和有效的交通工具。由于電池的壽命有限，通常可以通過減小汽車電機的體積來實現(xiàn)能量效率優(yōu)化。

電機是純電動汽車動力系統(tǒng)中最重要的部件之一。電機應滿足許多性能要求，如最大功率和轉矩密度、高效率、最小體積和重量、過載能力、控制能力、低成本、低振動和噪音和高可靠性等。電機和電池包性能直接反映在車輛性能上，即加速時間、最高速度、車輛動態(tài)特性、車輛行駛舒適度和車輛充電后的續(xù)駛里程。

不同類型的三相電機能夠按整車技術要求執(zhí)行完美驅動運行。大型汽車公司已經(jīng)開發(fā)出了自己獨創(chuàng)的電機結構，并通過一系列的改進設計來保持電機性能和牽引技術競爭優(yōu)勢。

電機的結構和生產(chǎn)技術是相互關聯(lián)的，且控制策略與電動汽車的性能密切相關。下面將進行簡單的介紹。

1 電動汽車電機的結構研究[1]

回顧當今制造的電池電動車輛（BEV）中的牽引電機設計，可以看出，根據(jù)領先的設計者開發(fā)了很多不同系列電機。對BEV的產(chǎn)生重大影響的一個基本因素就是電池技術的進步。電動汽車牽引電機的發(fā)展與整個BEV演變密切相關。

所有混合動力車和大多數(shù)全電動車都采用大型內部永磁同步電機和稀土磁鐵（剩余磁通密度高達1.4 T）。重稀土元素鏑是允許NdFeB磁體在較高溫度下運行的關鍵部件。這對于在大量的應用中使用PM非常重要，例如牽引電機。由于它們具有非常高的磁能，稀土磁體產(chǎn)生強磁場，從而導致更小的電機體積。稀土永磁同步電機的能量轉換效率最高，它們具有最大的功率密度和最高的峰值效率。稀土永磁同步電動機具有許多優(yōu)點—高功率和轉矩密度、高效率和功率因數(shù)、尺寸小和重量輕。此外，具有高磁阻轉矩的電動機設計有助于在弱磁場中的運轉。

在最受歡迎的純電動轎車Model S-P90D版本中，特斯拉采用雙電機驅動系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的單電機驅動相比，雙電機汽車中的全輪驅動系統(tǒng)是一種明顯的改進。后部電機可以進行加速調節(jié)，而前置電機可以進行調整，以實現(xiàn)高效的公路巡航。電池組、電動機和道路的狀態(tài)變化很大。組合的電機軸功率通常超過電池電功率。全輪驅動系統(tǒng)響應于車輛中的一般條件和載荷傳遞將可用電力分配給電機。

不同類型的牽引電機具有各自的優(yōu)點。稀土永磁電機以更高的成本提供更好的性能，而感應電機以更低的價格提供適中的性能。永磁電機更適合在低速和中速范圍內的強大負載，而感應電機可能在更高的速度下占主導地位，其效率相當甚至更好。電勵磁同步電動機也具有良好的特性，但功率密度較低。稀土永磁同步電機在現(xiàn)代電池電動汽車驅動中占主導地位。然而，對于成本、性能和可靠性方面的評價時，銅轉子感應電機是電動車永磁電機的強有力的替代品。作者提供的海平斯槽部銅損見圖1。

圖1 海平斯槽部銅損圖（Chevy Spark EV）[1]

2 采用開關定子技術的電機結構[2]

2.1 主要目的和主要原理

電動汽車的核心是其能源利用，車輛的總體性能取決于能源的利用效率。這種電機主要目的是使電動汽車能夠克服其速度、負載和續(xù)駛里程限制，提高電池的能量效率，從而提高整車的能源利用率，有助于降低負載電流、電池功率和能量。

Ravi Kumar提出了一種新的電動車傳動系配置與開關定子BLDC電機（SS_BLDC）。兩個定子采用不同扭矩/反電動勢常數(shù)的獨立三相繞組。內定子設計有扭矩常數(shù)，以滿足車輛的正常運行，外定子設計有扭矩常數(shù)，以滿足高加速和減速要求。2個功率逆變器用于根據(jù)控制算法獨立為定子供電。車輛所需的速度輸入到設備。加速度來自輸入速度要求，是在兩個定子之間切換的決策參數(shù)。當加速度大于設定值時，具有較高轉矩常數(shù)的外定子被激活，保持另一個定子處于停用狀態(tài)，如果加速度小于設定值，則內定子處于被激活模式，保持外定子停用狀態(tài)。兩個定子之間的切換是通過固態(tài)開關完成的。

2.2 結論

所提議的開關定子BLDC電機用于電動車輛以提高車輛的能量效率。該電機設計與傳統(tǒng)配置相比，電池消耗的功率和能量較少，被認為是用于電動車輛節(jié)能的較好的設計。

3 可變磁通電機的新結構[3]

3.1 主要目的和主要原理

電機需要更高的輸出和更寬的輸出范圍。同時，由于環(huán)境能量問題，特別強調實現(xiàn)更高的效率。對于需要續(xù)駛里程長的電動車（EV）等應用，要求電機在整個輸出范圍內以高效率驅動。可調節(jié)電動機的磁場磁通強度的可變磁通電動機（VMFM）可以有效解決以上問題。

圖2 電機轉子結構[3]

一種VMFM的設計和制造，是通過使用致動器相對轉子中心沿軸向分成三個部分來實現(xiàn)磁場通量的機械調節(jié)，可以同時滿足高輸出和高效率(圖2)。可以實現(xiàn)分開的轉子中心磁極的相對旋轉。當三個轉子的N極和S極分別在一條線上對齊時，來自轉子的磁通量最強（最大磁場通量狀態(tài)）。另一方面，當不同的磁極對準時，磁通量在轉子內部被短切，因為N極靴與S極靴對齊。結果，從轉子到定子的磁通量變得最弱（最小磁場通量狀態(tài)），并且定子中產(chǎn)生的鐵損減少。此外，快捷磁通量基本上不變，因此轉子中不會發(fā)生鐵損。因此，電機的鐵損減少了。當轉子中心磁極相對于軸的相對旋轉的角度被稱為相對角度時，切割相對角度的磁通量也會改變。感應電壓大小與最大磁場通量狀態(tài)的比率被稱為磁場通量率時，而且當不需要高輸出時，可以通過將磁場通量率降低到任意值來減少鐵損。

3.2 結論

實現(xiàn)更高輸出和高效驅動的VMFM，其中心磁極可以通過致動器旋轉。評估電動機特性和控制。在這些特性中，可以任意改變感應電壓，并且在滿足轉矩要求的情況下，可以實現(xiàn)足夠低的空載損耗。通過驅動所提出的VMFM通過映射控制確認可以在更寬的范圍內控制矢量控制相位角，并且同時執(zhí)行驅動甚至改變磁場磁通的強度。還證實，通過將電流值、相位角和磁場通量率調節(jié)到適當?shù)闹担梢栽谠碗妱訖C中實現(xiàn)更寬的輸出范圍內的更高效率。

4 永磁同步電動機的高效磁通弱化控制策略[4]

4.1 主要目的和主要原理

永磁同步電動機廣泛應用于輕型電動汽車中。理想情況下，在永磁同步電機中，氣隙磁通密度分布和由永磁材料提供的定子繞組中產(chǎn)生的電壓的特征形成正弦波形。在保持逆變器電壓的同時，在弱磁通區(qū)域中，已經(jīng)提出了各種控制算法以獲得期望的轉矩—速度性能。通過相應的最佳直流母線電壓以及最大輸入電壓和額定轉矩，機器可以達到極速的速度。超過這個速度，感應的電動勢將超過最大施加電壓，這反過來使機器的相電流變得不切實際。為了克服這種情況，通過削弱氣隙磁通鏈路，感應電動勢必須小于施加的電壓。相互氣隙磁鏈是轉子和定子磁鏈的產(chǎn)物。這個所提出的弱磁控制過程類似于通常在單獨激勵的直流電機中完成的弱磁通技術。

在該提議的工作中，結合了速度控制的PMSM驅動系統(tǒng)，用于建立弱磁通操作。為簡單起見，基本扭矩控制的PMSM驅動器被認為可用于所提出的機器的速度調節(jié)的速度外部控制回路。在圖3中示出所提出的速度受控驅動系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖。所提出的框圖中的虛線部分表示矢量控制器部分。矢量控制有時也稱為解耦控制或磁場定向控制。通過在PMSM驅動中建立矢量控制，通過定子激勵輸入獲得磁通和轉矩的獨立控制。

圖3 速度控制PMSM驅動器的系統(tǒng)框圖[4]

4.2 結論與展望

建立了在恒轉矩角區(qū)域內的速度控制PMSM驅動器的有效弱通量減弱運轉。為了在弱磁期間實現(xiàn)驅動系統(tǒng)的所期望的性能，減小操作扭矩參考以保持氣隙功率恒定。在這個所提出的策略中，通過并入信號調節(jié)電路和速度控制器輸出來維持電磁轉矩的大小。在輕型電動汽車中，由于重量更輕、功率密度更高、轉矩—速度曲線穩(wěn)定、效率高、控制電路簡單等優(yōu)點，這種弱磁控制技術是高效和有利的。未來可以對所提出概念進一步擴大研究，可以在實時環(huán)境中實現(xiàn)并達到預期目標。

5 無刷直流電動機驅動控制策略[5]

5.1 主要目的和主要原理

因為電機扭矩和速度可以快速準確地生成和控制。開發(fā)的底盤控制系統(tǒng)需要精確的機械建模。這些機械參數(shù)需要與各個子系統(tǒng)/組件同步，以提供車輛穩(wěn)定性和控制(見圖4)。然而，只有當所有車輪和所有三個方向上的輪胎力都能受到精確的控制時，才能實現(xiàn)最佳的駕駛動態(tài)。這種控制水平要求車輛配備各種底盤控制系統(tǒng)，這些系統(tǒng)集成并聯(lián)網(wǎng)在一起。使用電力電子轉換器控制無刷直流電動機驅動器，以便向車輪提供所需的控制動作。

圖4 電動汽車配置[5]

Ranjan K.Behera使用閉環(huán)控制的滯后控制技術。在該控制中，受控信號被限制在參考信號周圍的所提供的帶隙內。示例如果電機速度低于參考速度以下的某個水平。然后開關關閉，如果速度達到低于參考速度以下的某個水平，則開關打開。在較低調制指數(shù)下，三相單獨滯后控制之間缺乏協(xié)調可能導致高開關頻率。該控制器的問題在于當帶隙窄時，它會產(chǎn)生高且不受控制的開關頻率。下置開關保持接通，而上置操作以限制帶內的受控變量。電流控制可以為BLDC驅動提供所期望的電流限制和快速動態(tài)轉矩控制。基于適當?shù)拈_關狀態(tài)控制電流，該開關狀態(tài)被饋送到VSI。增大和減小電流以限制誤差帶內的電流誤差，使得相電流波形與參考電流相同。滯后控制技術用于控制BLDC電機驅動。該技術可以提供所需的電流限制和快速動態(tài)轉矩響應。

5.2 結論與展望

制定了有效的控制策略，以改善駕駛動態(tài)和道路坡度。施加了扭矩平衡電動汽車并在正常和緊急駕駛操縱期間穩(wěn)定車輛。模擬不同的駕駛循環(huán)并呈現(xiàn)實驗結果。但是沒有在不同條件下分析系統(tǒng)。對不同條件下系統(tǒng)的進一步分析將是未來的工作。