電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制策略的分析與研究*

何 琨 ，張 斌

（黃岡職業(yè)技術(shù)學(xué)院交通學(xué)院，湖北 黃岡 438002）

0 引言

近年來，隨著世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)快速高效運(yùn)輸?shù)男枨笠苍谠鲩L(zhǎng)，對(duì)汽車的需求也不例外，然而這也導(dǎo)致了石油消費(fèi)的增加，這種情況被認(rèn)為對(duì)環(huán)境不利。因此，人們轉(zhuǎn)向使用替代能源的車輛。這種電動(dòng)或油電混合動(dòng)力汽車現(xiàn)在已成為人們?nèi)粘Ｉ畹囊徊糠郑ˋnderson 等，2010）[1]。然而，關(guān)于這些車輛以及它們?nèi)绾尾僮鳎€有更多內(nèi)容需要了解，特別是關(guān)于汽車的知識(shí)。

在電動(dòng)和油電混合動(dòng)力汽車等新能源汽車中，正是電機(jī)將車輛電池中存儲(chǔ)的電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，使車輛能夠?qū)嶋H移動(dòng)（Abu-Ghazal 等，2019）[2]。除此之外，電機(jī)還有助于將車輛制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，然后將電能儲(chǔ)存回電池中。換句話說，電機(jī)也是電池充電系統(tǒng)的一部分。這些電機(jī)包括感應(yīng)電機(jī)、直流電機(jī)和永磁同步電機(jī)。基于它們的控制器和其中使用的算法，這些電機(jī)在性能和效率方面各有優(yōu)缺點(diǎn)。擬議的研究應(yīng)著眼于這些與新能源汽車相關(guān)的電機(jī)及其性能，以確定新能源汽車的最佳電機(jī)控制方案。

1 問題陳述

當(dāng)涉及電機(jī)控制時(shí)，內(nèi)燃機(jī)車和電動(dòng)內(nèi)燃機(jī)車之間存在某些基本差異。與向系統(tǒng)提供恒定負(fù)載的內(nèi)燃機(jī)不同，電機(jī)僅提供按需功率，這使得電機(jī)可以避開向系統(tǒng)引入恒定負(fù)載的需要[3]。電動(dòng)機(jī)控制性能和速度的方式是通過改變施加的電壓和電流。然而，這種方法的低效性通常導(dǎo)致其無法提供足夠的扭矩，然而扭矩和速度控制對(duì)于確保電機(jī)在足夠的時(shí)間內(nèi)保持其性能至關(guān)重要，可以提高可靠性并防止電機(jī)損壞（Quintero-Manríquez等，2021）[4]。

此外，在純電動(dòng)汽車方面，電機(jī)是唯一的動(dòng)力來源。與工業(yè)電機(jī)相比，電動(dòng)汽車中的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)面臨許多挑戰(zhàn)，如寬速度控制范圍、降低車輛整備重量的高扭矩/功率密度、可預(yù)測(cè)的驅(qū)動(dòng)循環(huán)動(dòng)態(tài)運(yùn)行、確保車輛即使在主要部件發(fā)生故障后仍能運(yùn)行的強(qiáng)大跛行回家功能以及終身保障等（Cai 等，2011）[5]。為了加強(qiáng)控制，設(shè)計(jì)工程師利用電子開關(guān)自動(dòng)降低電流和電壓。然而，這種方法仍然受到動(dòng)態(tài)（過渡）損耗和通斷周期靜態(tài)電阻損耗的影響。因此，當(dāng)涉及交換機(jī)時(shí)，面臨的挑戰(zhàn)是如何降低此類損失（Chau，2014）[6]。

2 汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)類型

2.1 直流電機(jī)

早在19 世紀(jì)，直流電機(jī)就成為電動(dòng)汽車的主要部件，這主要是因?yàn)檫@些電機(jī)的調(diào)節(jié)簡(jiǎn)單。然而，隨著時(shí)間的推移，這些電機(jī)變得不適合當(dāng)今技術(shù)先進(jìn)的替代能源汽車。現(xiàn)在，它們只能在低速電動(dòng)汽車中找到（Cai等，2021）[7]。

2.2 感應(yīng)電機(jī)

在感應(yīng)電機(jī)（IM）中，交流電（AC）通過電磁感應(yīng)過程到達(dá)旋轉(zhuǎn)裝置。因?yàn)楦袘?yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)似鼠籠，因此其也被稱為鼠籠電機(jī)。電力直接在旋轉(zhuǎn)裝置內(nèi)感應(yīng)（Sampathkumar 等，2019）[8]，這與直流電機(jī)不同，在直流電機(jī)中，電力通過直流直接輸送。感應(yīng)電機(jī)有多種用途，在各個(gè)領(lǐng)域都有應(yīng)用，尤其是在工業(yè)驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域（Choudhary等，2019）[9]。

2.3 開關(guān)磁阻電機(jī)

與感應(yīng)電機(jī)類似，開關(guān)磁阻電機(jī)非常簡(jiǎn)單，它們沒有線圈，其功率主要通過鐵制成的轉(zhuǎn)子產(chǎn)生，該轉(zhuǎn)子只有突出的磁極。有一系列開關(guān)有助于形成旋轉(zhuǎn)場(chǎng)，從而使轉(zhuǎn)子磁極磁化。由此產(chǎn)生的吸引力使轉(zhuǎn)子保持運(yùn)動(dòng)（Cai 等，2021）[7]。這種電機(jī)效率高，易于控制。然而，由于扭矩波動(dòng)、噪聲和振動(dòng)，它們不用于新能源汽車中。

2.4 同步磁阻電機(jī)

與開關(guān)磁阻電機(jī)不同，這種電機(jī)具有繞組，轉(zhuǎn)子為圓柱形，但由各向異性磁性結(jié)構(gòu)復(fù)合（Cai 等，2021）[7]。對(duì)于這類電機(jī)，控制它們的速度和扭矩是完全可能的。此外，在某些應(yīng)用中，可以節(jié)省大量能源，如泵和風(fēng)扇（Heidari等，2021）[10]。

2.5 永磁電機(jī)

近年來，在永磁電機(jī)方面取得了重大進(jìn)展，已經(jīng)開發(fā)出不僅可以節(jié)約成本效益而且具有大能量密度的合金。這些在實(shí)現(xiàn)效率以及開發(fā)輕便緊湊的電機(jī)方面發(fā)揮了重要作用（Cai 等，2021）[7]。在這些類型的電機(jī)中，永磁體通常位于轉(zhuǎn)子中，并且基于位置，它根據(jù)線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)，這使得速度控制成為可能。

3 電機(jī)控制技術(shù)

3.1 恒壓/頻率比（V/F）控制

恒定電壓/頻率比控制，也被稱為恒定磁通控制，可以通過確保每個(gè)頻率的定子電壓保持不變來實(shí)現(xiàn)恒定磁通（Tu 等，2017）[11]。在電機(jī)以較低速度運(yùn)行的情況下，T 軸電流保持電機(jī)系統(tǒng)穩(wěn)定。恒定速度/頻率控制是調(diào)節(jié)感應(yīng)電機(jī)速度的常用技術(shù)，它簡(jiǎn)單、有效，并且對(duì)參數(shù)變化具有高魯棒性（Cai 等，2021）[7]。

3.2 磁場(chǎng)定向控制（FOC）

磁場(chǎng)定向控制技術(shù)是20 世紀(jì)發(fā)展起來的。本質(zhì)上，定子的功率被移除并連接到扭矩發(fā)生器。由特定系統(tǒng)磁化，提供穩(wěn)定的轉(zhuǎn)子磁通量（Tu 等，2017）[11]。磁場(chǎng)定向控制是非常動(dòng)態(tài)的，因?yàn)榕ぞ夭▌?dòng)很小，其速度范圍非常大，啟動(dòng)非常平穩(wěn)，這對(duì)于在激烈工作環(huán)境中使用的機(jī)械來說是非常好的（Cai等，2021）[7]。開發(fā)這種類型的電機(jī)控制技術(shù)，為機(jī)器在不同類型的條件下做出相應(yīng)響應(yīng)奠定了基礎(chǔ)。

3.3 直接轉(zhuǎn)矩控制

直接轉(zhuǎn)矩控制不同于磁場(chǎng)定向控制，因?yàn)樗鼪]有回路，并且不需要按順序轉(zhuǎn)換坐標(biāo)來控制性能（Cai等，2021）[7]。直接轉(zhuǎn)矩控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，響應(yīng)迅速，對(duì)參數(shù)變化反應(yīng)不強(qiáng)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，對(duì)參數(shù)擾動(dòng)的靈敏度低，用途廣泛，非常適合需要快速響應(yīng)和廣泛速度調(diào)節(jié)的情況（Wu 等，2020）[12]。然而，它并非沒有缺點(diǎn)。例如，它需要較高的采樣頻率，并且在相對(duì)較低的速度下，電流和轉(zhuǎn)矩都會(huì)產(chǎn)生漣漪效應(yīng)（Cai 等，2021）[7]。

4 電機(jī)控制算法

4.1 比例積分微分（PID）控制

比例積分微分（PID）控制方法在大多數(shù)研究中非常普遍，并且在大多數(shù)電機(jī)和電機(jī)控制技術(shù)中也普遍使用。這主要是由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能夠適應(yīng)參數(shù)變化，可靠性高（Cai 等，2021）[7]。雖然該算法適用于線性和固定的對(duì)象，但它不適合參數(shù)不斷變化和復(fù)雜交互的電機(jī)（Fan 等，2020）[13]。因此，比例積分微分控制算法需要與下面將描述的一些控制算法相結(jié)合，直流電機(jī)PID控制算法的方框流程圖如圖1 所示。

圖1 直流電機(jī)PID控制算法的方框流程圖

4.2 自適應(yīng)控制

可與比例積分微分算法耦合的算法之一是自適應(yīng)控制算法。該算法能夠在線改變參數(shù)，使其在處理系統(tǒng)變化時(shí)具有通用性。該算法有相當(dāng)多的導(dǎo)數(shù)，包括模型參考自適應(yīng)控制。然而，重要的是，系統(tǒng)僅依賴于電機(jī)的精確模型，電機(jī)本身受電機(jī)參數(shù)波動(dòng)的影響（Landau 等，2011）[14]，驅(qū)動(dòng)電機(jī)自適應(yīng)控制算法的方框流程圖如圖2所示。

圖2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)自適應(yīng)控制算法的方框流程圖

4.3 模型預(yù)測(cè)控制

這種類型的控制算法在設(shè)計(jì)上過于簡(jiǎn)單，并且相當(dāng)偏向于快速響應(yīng)。其基本作用是在采樣過程中的每個(gè)時(shí)刻解決最優(yōu)控制問題。然而，與模型參考自適應(yīng)控制一樣，它也嚴(yán)重依賴于電機(jī)模型的參數(shù)，并且相當(dāng)復(fù)雜（Mayne，2014）[15]，模型預(yù)測(cè)控制算法的方框流程圖如圖3所示。

圖3 模型預(yù)測(cè)控制算法的方框流程圖

4.4 模糊邏輯控制（FLC）

該算法的結(jié)構(gòu)可能很簡(jiǎn)單，但非常可靠，并且在啟動(dòng)過程中幾乎不影響電機(jī)。它的一個(gè)缺點(diǎn)是，它需要大量的專業(yè)知識(shí)和處理此類算法的豐富經(jīng)驗(yàn)（Sharma 等，2014）[16]，模糊邏輯控制算法的方框流程圖如圖4所示。

圖4 模糊邏輯控制算法的方框流程圖

5 結(jié)論

1）確定電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制方案主要是按車型所需來選取最合適的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，采用最合適的電機(jī)控制技術(shù)和電機(jī)控制算法。由于永磁同步電機(jī)的高能效和三相異步電機(jī)（感應(yīng)電動(dòng)機(jī)）的運(yùn)轉(zhuǎn)平順、易控制等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)今這兩類電機(jī)被大量應(yīng)用于電動(dòng)汽車領(lǐng)域[17-18]。感應(yīng)電機(jī)因價(jià)格低廉、控制技術(shù)成熟等方面的優(yōu)勢(shì)，在過去曾占車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)市場(chǎng)主導(dǎo)地位。永磁電機(jī)在控制技術(shù)上多采用磁場(chǎng)定向控制，一般配有轉(zhuǎn)子位置傳感器，也有利用反電動(dòng)勢(shì)識(shí)別轉(zhuǎn)子位置的無傳感器永磁同步電機(jī)（車用電機(jī)上很少使用）。近年來，隨著永磁同步電機(jī)生產(chǎn)技術(shù)及其控制技術(shù)的進(jìn)步和市場(chǎng)價(jià)格的降低，永磁同步電機(jī)逐漸成為當(dāng)前車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)的主流。

2）近年來，學(xué)者們已經(jīng)使用上述電機(jī)控制算法對(duì)電機(jī)性能效率進(jìn)行了大量研究。例如，Abu-Ghazal和Jaber 比較了感應(yīng)電機(jī)與內(nèi)部永磁同步電機(jī)在新能源汽車中的使用，特別是使用FLC 算法的電動(dòng)汽車；雖然結(jié)果顯示了系統(tǒng)之間的相似性能，但也發(fā)現(xiàn)感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的車輛模型比內(nèi)部永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)的模型具有相對(duì)更快的響應(yīng)速度（Abu-Ghazal 等，2019）[2]。此外，與感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)相比，內(nèi)部永磁同步電機(jī)在轉(zhuǎn)矩方面具有顯著更高的紋波，相較于感應(yīng)電機(jī)，永磁同步電機(jī)對(duì)控制技術(shù)和控制算法上的選取提出了更高的要求。

3）在電機(jī)控制算法方面，有研究發(fā)現(xiàn)模糊邏輯控制算法比自適應(yīng)控制算法更可靠和有效。模糊邏輯控制在響應(yīng)速度方面具有零分支，在自適應(yīng)控制的情況下，系統(tǒng)預(yù)期響應(yīng)速度會(huì)出現(xiàn)下沖或過沖（超調(diào)）。當(dāng)涉及模糊邏輯控制時(shí)，負(fù)載的增加引入了微小的穩(wěn)態(tài)誤差，系統(tǒng)可以跟蹤的范圍減小。自適應(yīng)控制受參數(shù)變化的影響，這與模糊邏輯控制不同。然而，就設(shè)計(jì)和專業(yè)知識(shí)而言，自適應(yīng)控制比模糊邏輯控制簡(jiǎn)單得多。綜上，圍繞電機(jī)控制的高效節(jié)能，為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)最優(yōu)控制，應(yīng)根據(jù)汽車運(yùn)行工況要求采用多種電機(jī)控制技術(shù)和控制算法相結(jié)合的控制策略。