關于新能源汽車及電機驅動的研究

孟令陽 趙達

摘要：電機驅動技術是現(xiàn)代汽車的核心控制技術之一，在新能源汽車的發(fā)展中，起著越來越重要的作用。相對而言，新能源汽車與電機驅動的控制技術，是密不可分的，應通過電機驅動的控制技術，更好的完善新能源汽車，并且大幅度的降低汽油的運用，實現(xiàn)新能源的更大發(fā)展。另一方面，在研究和應用電機驅動的控制技術方面，應盡量加強聯(lián)合技術的應用，配合各種設備和細小的零部件，完成新能源汽車的多項優(yōu)化。在此，本文主要對新能源汽車及電機驅動的控制技術進行討論。

關鍵詞：新能源電動車;電機驅動系統(tǒng)

1電動汽車電機驅動系統(tǒng)性能指標

電動汽車驅動系統(tǒng)的核心是電機及其控制器，以電機為核心的驅動系統(tǒng)占整車成本的60%左右。所以，降低電動汽車成本的關鍵在于電控系統(tǒng)的優(yōu)化。電動汽車要能夠取代傳統(tǒng)汽車，必須在各項指標上達到甚至超越燃油車輛的性能，比如對不同氣候，不同道路條件的適應能力，對駕駛員和乘客的安全保障，舒適程度等。電動汽車驅動系統(tǒng)的性能指標，我們可以總結為以下幾條：

（1）車輛能量轉換效率要高，功率密度要大，續(xù)駛里程要長。可通過開發(fā)新型電池和優(yōu)化電機及控制系統(tǒng)來實現(xiàn);

（2）速度低時提供大扭矩來實現(xiàn)車輛起步、加速等要求，較高車速巡航時提供小轉矩、恒功率;

（3）電機及控制系統(tǒng)能夠長時間在惡劣的環(huán)境下工作，可靠性高，減振性強，免維護或者少維護;

（4）駕駛員操縱車輛方便，具有安全保障措施，舒適性好;

（5）車輛內部各種電子設備之間不出現(xiàn)互相干擾現(xiàn)象;

（6）車輛便于維修，系統(tǒng)不復雜，整體系統(tǒng)成本較低。

2 電動汽車電機系統(tǒng)分析

目前，電動汽車使用較多的電機系統(tǒng)主要有四種：直流電機、永磁同步電機（包括直流無刷電機）、開關磁阻電機和交流異步電機。表1為電動汽車幾種常用驅動電機的性能比較。

（1）直流電機是早期在電動汽車上廣泛采用的驅動設備，也是結構最簡單的一種電機。直流電機控制方法容易實現(xiàn)，利用電壓進行控制，具有交流電機不可比擬的電磁轉矩控制特性。但是直流電機有無法克服的缺點：直流電機有電刷，因此需要經(jīng)常維護;同時直流電機的質量很重和體積太大，大功率直流電機造價高等等。這些缺點制約了直流電機在現(xiàn)代電動汽車上的應用。

（2）交流異步電機也是較成熟的一種電機，它采用V/F控制、矢量控制、直接轉矩控制等控制方法，技術成熟，同時感應電機結構簡單、價格低、具有較高的能量密度，并且在運行過程中轉矩脈動小，調速范圍大，因此美國、歐洲研制的電動汽車多采用感應電機作為驅動電機，比如福特汽車旗下的Fusion電動汽車采用了60KW的異步電機作為驅動設備。

（3）開關磁阻電機是一種新型的電機，它用作電動汽車的驅動電機非常有優(yōu)勢。電機結構簡單和控制技術易于實現(xiàn)，可靠性高，效率高，成本較低;同時它的缺點也是不可忽視的，開關磁阻電機的運行噪聲大，轉矩脈動嚴重。因此，開關磁阻電機基本停留在應用研究階段，臺灣海灣超能源科技股份有限公司研發(fā)的膠體蓄電池電動汽車裝配的是由山東德森機電科技股份有限公司研制的開關磁阻電機。

3新能源汽車的電機驅動控制技術

新能源汽車在實際的應用中，具有環(huán)保效果好、使用壽命長、安全性高等特點，受到了駕駛者的廣泛歡迎。但是，由于現(xiàn)階段的部分技術還未達到較高的水平，多數(shù)的新能源汽車，主要采用的是混合動力來完成行駛的。在新能源汽車中，電機驅動控制技術，作為新能源汽車的核心部分，其造成的積極影響是非常大的。在此，本文主要對新能源汽車的電機驅動控制技術進行論述。

3.1 電機驅動控制

新能源汽車的研究與應用，成為了當前社會上的主要工作。從客觀的角度來分析，新能源汽車在小范圍投入后，取得了較為理想的效果，并且在很大程度上，減少了對能源的耗費。電機驅動控制技術，要想在新能源汽車中發(fā)揮出更加積極的作用，需要選擇性價比較高的電動機。結合以往的工作經(jīng)驗和當下的工作標準，電動機的選型原則，集中在以下幾個方面：

（1）高性能、低自重、小尺寸?，F(xiàn)階段的任何一項設備，都在朝著“高精尖”的領域發(fā)展。電動機作為新能源汽車的重要組成部分，應在性能上達到較高的指標，自重應逐步減小，并且減小自身的尺寸，保證其他設備擁有足夠的空間。

（2）在較寬的轉速范圍內有較高的效率。

（3）電磁輻射盡量小。新能源汽車不僅僅是強調動力的污染，還不能造成太多的電磁輻射，否則將會造成運行的惡性循環(huán)。

（4）成本低。以目前的情況來看，上述的幾項標準，電動機還是能夠達到的?，F(xiàn)今，關于電機驅動控制技術的研究不斷深入，因此在滿足電動機選型原則的基礎上，還要考慮其他控制系統(tǒng)的特點，爭取實現(xiàn)雙向控制，回收制動再生能量。

3.2 電機驅動控制器

在新能源汽車的研究和應用中，電機驅動控制器是相關技術的核心部分。目前，新能源汽車，主要使用的是永磁同步電動機調速系統(tǒng)，來完成電機驅動控制器的相關技術實施的。永磁同步電動機定子三相繞組通入互差120°的三相正弦電流，在氣隙中產(chǎn)生旋轉磁場;而轉子磁極為稀土永磁體，在氣隙中產(chǎn)生正弦磁場，并且固定于轉子位置，因此矢量控制中的同步旋轉軸系與轉子旋轉軸系重合，用dq坐標系表示。定子磁勢Fs沿旋轉方向超前轉子磁勢Fr，旋轉的定子磁勢與轉子磁勢相互作用，吸引轉子磁勢旋轉，即驅動轉子與之同步旋轉。同步電動機的轉矩角δ（定子電樞磁勢和轉子勵磁磁勢間的夾角）隨負載變化，計算并保持δ=90°就可以和無補償繞組的直流電動機一樣，基本實現(xiàn)解耦控制，即轉子磁場定向的矢量控制。根據(jù)檢測的位置信號控制定子各相繞組電流，即可充分保持其定、轉子磁勢正交。

4電機驅動系統(tǒng)類型

在新能源電動車中，電機往往被安裝在比較小的空間里。與傳統(tǒng)的電車驅動相比較起來，工作環(huán)境相對惡劣，灰塵多、腐蝕嚴重。固此，新能源電動車的驅動電機應該有這些要求：體積小、重量輕。有低速大扭矩和寬范圍內高速功率的特性?？煽啃愿?。電機需要寬調速、可控性高、價格合適、安裝空間小等特點。系能源電動車的驅動電機的發(fā)展離不開電機設計、制造技術以及電力電子元器件技術等。到如今的三大電機系統(tǒng)：

永磁同步電機系統(tǒng)：永磁同步電機及其控制器組成了永磁同步電機系統(tǒng)。永磁電機系統(tǒng)應用了高磁能積和稀土燒結鐵硼等的永磁材料。稀土燒結鐵硼充磁以后不再需要增加能量也能建立很強的永久磁場?？梢杂脕泶?zhèn)鹘y(tǒng)電機的電勵磁場。并且效率高、結構簡單、運行可靠等的優(yōu)點。永磁同步電機控制器通過其中的電力電子器件將電動車的直流電逆變?yōu)榻涣麟姡疫€進行電流大小、波形以及相位的控制。進而實現(xiàn)對電機的控制，使電機能夠按照它的指令運轉。在轉向不改變的條件下，只要改變控制器的導通順序，電機就能就能夠在電動狀態(tài)和發(fā)電狀態(tài)之間轉換。由電動變發(fā)電的時候會產(chǎn)生反向的一個轉矩，能夠起到一個制動的效果。永磁同步電機系統(tǒng)取消了傳統(tǒng)的電刷、滑環(huán)。所以也稱作永磁無刷電機。另外其也有方波和正弦波的區(qū)分，這種區(qū)分方式是通過電流方式區(qū)別的。永磁同步電機是當前新能源電動車最普遍采用的驅動電機系統(tǒng)之一。并且永磁機是它的未來的發(fā)展的一個方向。永磁同步電機的高功率密度、高效率的特點是優(yōu)點之一。“同步電機”言外之意是電機轉子轉速與定子旋轉磁場的轉速相同的交流電機。目前，永磁同步電機-磁阻電機是一種將永磁電機和磁阻電機結合起來的新型的電機復合結構。它不但繼承了永磁電機的高轉矩密度，也繼承了磁阻電機的寬泛的恒功率調速。所以它具有弱磁容易，調速范圍寬，效率和力矩都是比較高。國內的大多數(shù)的新能源汽車廠都在往這個方向在發(fā)展。

5總結

新能源汽車是現(xiàn)階段推廣較多的一種汽車類型。從嚴格的意義上來講，新能源汽車不斷的減少汽油等不可再生能源的應用，逐步應用天然氣、太陽能等作為動力，以此來實現(xiàn)零污染和零排放，既減少了客觀上的環(huán)境污染，又滿足了日常的駕駛需求。但是，由于新能源汽車的部分技術還不是很成熟，因此在目前的多數(shù)新能源汽車，仍然會小部分的應用汽油，但電氣驅動的控制技術作為新能源汽車的核心技術是發(fā)展的必然趨勢，所以值得我們進一步深入研究。

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