淺談純電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)及控制系統(tǒng)

王麗琴 孔博

摘 要：純電動(dòng)汽車是進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)誕生的新產(chǎn)物，符合當(dāng)今社會(huì)對(duì)于節(jié)能環(huán)保方面的需求。因此具有廣闊的發(fā)展前景。對(duì)于純電動(dòng)汽車而言，其驅(qū)動(dòng)電機(jī)及控制系統(tǒng)是最核心的要素，在全車的配置當(dāng)中具有舉足輕重的作用，它直接關(guān)系到全車的性能和質(zhì)量。本文針對(duì)純電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)及控制系統(tǒng)這一課題展開討論，為純電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)及控制系統(tǒng)提出一些有效的建議。

關(guān)鍵詞：純電動(dòng)汽車；驅(qū)動(dòng)電機(jī)；控制系統(tǒng)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.08.045

0 引言

“純電動(dòng)汽車”對(duì)于今天的人來(lái)講早已不再陌生，它有諸多優(yōu)勢(shì)，比如加速性能好、功率大、環(huán)保節(jié)能等，非常符合時(shí)代對(duì)于交通方式的變革需求。而驅(qū)動(dòng)電機(jī)及控制系統(tǒng)，直接關(guān)系到純電動(dòng)汽車的性能和質(zhì)量，純電動(dòng)汽車的設(shè)計(jì)和維護(hù)和保養(yǎng)非常重要，因此關(guān)于純電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)及控制系統(tǒng)是當(dāng)代研究領(lǐng)域重點(diǎn)討論的內(nèi)容。

1 純電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)及控制系統(tǒng)現(xiàn)狀分析

1.1 純電動(dòng)汽車對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)及控制系統(tǒng)的要求

不同于燒汽油或柴油的傳統(tǒng)汽車，純電動(dòng)汽車是完全以電能為驅(qū)動(dòng)力的。通過驅(qū)動(dòng)電機(jī)來(lái)推動(dòng)車輛前進(jìn)，在控制系統(tǒng)方面也有著一些特殊之處。迄今為止，電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)及控制系統(tǒng)有多種要素組成而成，它們分別為：電動(dòng)機(jī)、控制器、功率電子裝置、傳感器等多項(xiàng)內(nèi)容。其中，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的主要功能在于將蓄電池中的電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，以及通過對(duì)于蓄電池的制動(dòng)，對(duì)于車輛的動(dòng)能進(jìn)行反饋。電動(dòng)汽車對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)及控制系統(tǒng)主要涉及以下幾項(xiàng)內(nèi)容：

第一，驅(qū)動(dòng)電機(jī)要求調(diào)速范圍較寬。電機(jī)能在四象限內(nèi)工作。

第二，驅(qū)動(dòng)電機(jī)及控制系統(tǒng)必須以轉(zhuǎn)矩作為控制目標(biāo)。轉(zhuǎn)矩必須符合迅速且波動(dòng)較小的要求。

第三，要確保車輛加速較敏捷和高速時(shí)保持速度恒定。為此，必須在電機(jī)低速時(shí)有大的轉(zhuǎn)矩輸出和較大的過載倍數(shù)，要求電機(jī)高速區(qū)處有一定的功率輸出。這是純電動(dòng)汽車相對(duì)于汽油車或柴油車的明顯優(yōu)勢(shì)。由于內(nèi)燃機(jī)的自身特性，其傳動(dòng)比無(wú)法直接調(diào)節(jié)，必須通過變速箱來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

第四，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)要有較高的工作效率，運(yùn)行可靠，具備完善的電磁兼容性，且維護(hù)成本較低等。

1.2 對(duì)電機(jī)的分析

在電動(dòng)汽車上所協(xié)調(diào)工作驅(qū)動(dòng)電機(jī)涵蓋的內(nèi)容有：直流電機(jī)、交流感應(yīng)電機(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)、永磁同步電機(jī)等。其中，直流電機(jī)是傳統(tǒng)的電機(jī)類型，運(yùn)用較可靠，控制較簡(jiǎn)便。但它的缺陷也非常明顯：維護(hù)較麻煩，維護(hù)成本較高。而交流異步電機(jī)的維護(hù)成本較低，然而在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制上較繁瑣，在較大范圍內(nèi)的恒功率調(diào)速很難實(shí)現(xiàn)。相較于前二者，永磁同步電機(jī)的功率密度很大，與此同時(shí)增大了驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電流消耗，而且永磁體具有退磁現(xiàn)象的特征。開關(guān)磁阻電機(jī)相對(duì)而言效率較高且成本較低，但其電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)存在轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，噪音較大且結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，可靠性較低。目前，國(guó)內(nèi)絕大多數(shù)純電動(dòng)汽車采用的驅(qū)動(dòng)電機(jī)均為交流異步電機(jī)。

1.3 對(duì)功率電子裝置的分析

現(xiàn)階段，常用的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)元器件主要包括GTO、BJT、MOSFET、IGBT、MCT 等。而IGBT是一種較為理想的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)元器件。它具有BJT與 MOSFET兩者共同的優(yōu)勢(shì)，工作頻率較高，可達(dá) 10 ～ 20 kHz。除此之外，在電壓阻斷峰值、門極驅(qū)動(dòng)功耗率等方面也都具有明顯的優(yōu)勢(shì)，在純電動(dòng)汽車上面具有普及推廣的有效價(jià)值。而IGBT 的低壓變頻裝置的極限容量可以達(dá)到380 V 級(jí)，540 kV·A，這項(xiàng)系統(tǒng)是目前為止電動(dòng)汽車變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中優(yōu)先考慮的開關(guān)器件。

1.4 對(duì)控制技術(shù)的分析

電機(jī)的各種控制技能的實(shí)現(xiàn)條件包括標(biāo)量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制、矢量或磁場(chǎng)定向控制、磁鏈控制等多個(gè)內(nèi)容。

矢量控制是一種較為理想的控制技術(shù)，其理論發(fā)展也較為成熟完善，可以對(duì)于電機(jī)參數(shù)進(jìn)行較精確的辨認(rèn)。目前，變結(jié)構(gòu)控制（ VSC）也在純電動(dòng)汽車的控制技術(shù)方面異軍突起，具有明顯的后發(fā)優(yōu)勢(shì)。它尤其是在系統(tǒng)參數(shù)不確定、外部擾動(dòng)和噪聲等方面具備了明顯的優(yōu)勢(shì)，有效地避免抖振、以及轉(zhuǎn)矩和磁鏈脈動(dòng)大等方面的各種的問題。除此之外，當(dāng)代所研發(fā)出來(lái)用于試驗(yàn)和運(yùn)用的控制技術(shù)還有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯等全新的手段。它們的推廣運(yùn)用，將有效地與那些傳統(tǒng)點(diǎn)控制方法形成互補(bǔ)，尤其提高了電機(jī)效率，在電機(jī)參數(shù)的自動(dòng)測(cè)量、自動(dòng)整定時(shí)系統(tǒng)工作的調(diào)整等方面都具有不可替代的優(yōu)勢(shì)。

2 純電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)及控制系統(tǒng)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

在我國(guó)以后的純電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)及控制系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)中，主要體現(xiàn)于以下幾個(gè)方面：

2.1 變速箱的運(yùn)用

傳統(tǒng)意義上來(lái)講，純電動(dòng)汽車由于其在發(fā)動(dòng)機(jī)牽引特性上的優(yōu)勢(shì)，是不需要變速箱的。但多項(xiàng)試驗(yàn)研究表明，在純電動(dòng)汽車上面加裝變速箱，對(duì)于車輛牽引效率的進(jìn)一步優(yōu)化是有好處的。所以未來(lái)會(huì)有更多的純電動(dòng)汽車會(huì)加裝變速箱。

2.2 電機(jī)的功率密度的提高

電機(jī)在實(shí)際運(yùn)作環(huán)節(jié)中，除了具備滿足工況的狀態(tài)，也受到了電動(dòng)汽車空間的要素的調(diào)控，面積變小，重量減少，這樣的現(xiàn)狀充分降低了整車的負(fù)荷，同時(shí)也降低了投資從成本，提高了電機(jī)的工作運(yùn)行效果，確保了電機(jī)的安全性、可靠性。

2.3 驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)向一體化、集成化方向發(fā)展

迄今為止，驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)向一體化、集成化方向發(fā)展是電動(dòng)汽車控制系統(tǒng)的主要技術(shù)發(fā)展方向，隨著電動(dòng)控制系統(tǒng)集成化技術(shù)模式的實(shí)現(xiàn)，把低壓 DC-DC 變換器、電機(jī)控制器、整車控制器、發(fā)動(dòng)機(jī)控制器、變速箱控制器等元素統(tǒng)一利用一體化集成技術(shù)，將是未來(lái)電控系統(tǒng)的主要發(fā)展方向。

2.4 控制策略智能化

對(duì)于電機(jī)的控制除了基本的控制形態(tài)，還涵蓋其他控制形態(tài)，比如保護(hù)控制、自發(fā)診斷控制、故障監(jiān)控等多項(xiàng)內(nèi)容，以達(dá)到控制策略智能化方面的要求，這也代表著未來(lái)控制策略智能化的全新趨勢(shì)。

3 結(jié)語(yǔ)

伴隨著純電動(dòng)汽車開始進(jìn)入千家萬(wàn)戶，其驅(qū)動(dòng)電機(jī)及控制系統(tǒng)也日益成為一個(gè)熱門的課題，我們迫切需要在該領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)及控制系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的運(yùn)行目標(biāo)，目前我們通過開展大量的研究，在這方面已經(jīng)形成了一整套的理論體系，但仍然存在著一些需要進(jìn)一步完善的地方。未來(lái)純電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)及控制系統(tǒng)還會(huì)隨著科技水平的不斷提升，發(fā)展前景更加廣闊。

參考文獻(xiàn)：

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