新能源汽車電機控制系統設計與研究

明 波，高建偉

（滕州市中等職業教育中心學校，山東棗莊 277000）

0 引言

節能、環保是新能源開發的戰略思想，也是可持續發展的基本要求。近年來，在國家的大力支持下，新能源汽車出現了飛躍式的發展。據統計，2015—2017 年，新能源汽車的銷量每年以超過20%的速率增長。目前，新能源汽車技術已經從實驗化階段進入產業化階段[1]，這對國家的綠色能源開發和應用起到顯著的促進作用，但新能源汽車發展最大的難題仍是電池技術。在現有的電池技術條件下，設計有效的電機控制系統對于新能源汽車的節能作用有著良好效果。通過對電機控制系統的優化設計，不但能夠提升車輛在特定電能條件下的續航里程，而且利于電池和電機壽命的提升。

1 系統控制原理和總體設計

1.1 電機控制原理

電機工作時，驅動性能由駕駛需求和車輛狀態綜合控制。通過對轉矩、轉速等參數的調節，實現電機不同工作模式的切換。對于一般的新能源汽車而言，驅動電機選用永磁同步電機，其主要的工作模式包括純電動模式、混合動力模式、充電模式和再生制動模式等。如何根據電源工作狀態調節合理分配和管理電能是電機控制系統的關鍵。

永磁同步電機是最主要的驅動電機，其關鍵部件包括轉子鐵芯、轉軸和永磁體。對于該類型的電機，永磁材料采用貼附方式定位于轉子鐵芯，這種設計方式結構簡單，易于磁化，成本較低，已得到廣泛應用。電機驅動力矩主要來源于定子繞組線圈內電流與永磁鐵芯磁場之間的相互作用。當轉子處于靜止狀態時，在軸向方向將存在直流的磁場，此時，定子繞組內根據相應的電流控制同樣可以產生一個直流磁場。這兩個直流磁場之間將產生旋轉力矩，由于定子是固定不動的，使得轉子本身具有旋轉趨勢。在電機控制系統中，腳踏板的位移信號將轉換為轉速或轉矩控制信號。為了實現節能效果，通過能量回饋模塊對轉矩和制動力矩進行智能分配，整個過程中要參考車輛行駛工況、電池能量狀態等，在不影響正常行駛條件下，降低電能消耗。

1.2 系統總體設計

對于新能源汽車而言，控制器的設計非常關鍵，要求具有較強的可控性、穩定性和抗干擾能力[2]。為此，文中選用PIC16F72 系列微處理器，該處理器為典型的8 位控制器，安全性能顯著，工作電壓范圍9～16 V。由于車輛的工況條件不同，為了提升車輛的惡劣環境適應能力，設定系統的工作溫度范圍為-40～90 ℃，供電系統關閉后，整個控制器的漏電流不超過1 mA。此外，系統采用雙層電路板樣式，具備防水性能，安全防護級別超過IP65。系統的信號傳輸功能基于CAN 總線來實現，控制系統內的供電模塊可提供5 V 和12 V 電壓，傳感器能夠實時接收壓力、溫度等模擬信號。當信號出現異常時，可根據實際狀況預警。

為了確保系統的高效性，由控制器直接識別開關量信號，根據16 路信號確定指令性質。系統可以將PWM 信號高效輸入和輸出，具備低功耗特點。根據電機工作原理和設計要求，可將控制系統進行模塊化，主要包括：核心處理器模塊、信號采集模塊、功率驅動模塊、供電模塊等。各個子模塊之間協同工作，共同完成信號的識別以及電機的智能控制。

2 系統關鍵硬件設計

2.1 控制器設計

系統中核心處理器模塊所采用的中央處理器為單片機，型號為PIC16F72 系列。在該單片機的控制下，能夠有效地實施相關的控制算法和運行策略。同時，該單片機性能良好，抗干擾能力強，作為控制系統的載體，在車輛控制中有著良好的應用效果。

2.2 供電模塊設計

電機控制系統中的供電模塊是獨立的單元，也是非常重要的子模塊。供電模塊的穩定性直接決定了控制系統對于環境的適用能力，特別是較強電信號沖擊條件下的工作性能。在供電模塊的控制下，其性能指標為：可提供9～16 V 的穩壓直流電；具備反壓保護和掉電保護功能；可實現充放電的實時監測；具有溫度傳感性能。對于供電模塊的傳感器，系統選用TLE4250G 系列，可對斷路和短路實現良好的保護。在傳感器中，引腳3 為輸入端，引腳1 為校對端，即使輸入電壓有明顯波動，輸出電壓仍能保持穩定。

2.3 信號采集模塊

信號采集模塊是決定系統輸入/輸出的關鍵[3]，其主要的接口主要包括模擬信號端、數字信號端和PWM 信號端等。信號采集模塊在整個系統中處于底層，若沒有良好的信號采集能力，將無法得出理想的控制效果。此外，信號采集模塊配制有保護和診斷功能。

2.4 功率驅動模塊

對于整個系統而言，功率驅動的主要器件包括繼電器、控制器燈等，具有的基本功能：過壓和過流保護，過溫監測。為了簡化系統，設計功率驅動接線，不但可以確保整個電機控制系統的穩定性，還能配合其他模塊更好運行。

3 結語

文中所設計的新能源汽車電機控制系統可有效提升驅動系統的工作效率，通過相關的指令控制優化分配能源利用，這對于節能降耗有著重要的意義。系統具有較高的強度和抗干擾能力，通過對系統的設計，充分實現了設計要求。