新型電機控制技術(shù)用于電動汽車的機遇與挑戰(zhàn)研究

戴 斌

（法雷奧汽車內(nèi)部控制（深圳）有限公司，廣東深圳 518103）

0 引言

我國政府近些年大力推動新能源汽車發(fā)展，并實施了很多的扶持政策，如今正處于電動汽車發(fā)展的黃金時期。相比燃油汽車，電動汽車的動力裝置主要是由驅(qū)動電機、調(diào)速控制器、動力電池、車載充電等部分組成。電機控制技術(shù)半導(dǎo)體解決方案供應(yīng)商同樣面臨著巨大的市場機遇。電動汽車需要電動機提供動力，其時速快慢、啟動速度取決于驅(qū)動機的性能與功率。電動汽車驅(qū)動電機的種類有很多，包括有刷/無刷、有磁性/無磁性、交流步進電機等。要根據(jù)電動汽車配置、用途、定位等因素選用驅(qū)動電機。由于傳統(tǒng)電機控制技術(shù)存在能耗高、性能差、扭矩低等問題，而采用新型電機控制技術(shù)可以大大減少對傳統(tǒng)能源的依賴，通過較強的扭矩提升整車性能，這對推動電動汽車發(fā)展有著重要意義。

1 電動汽車電機控制技術(shù)與主要特征

1.1 電機控制技術(shù)及其構(gòu)成

電動汽車電機控制器是一種主動工作中的設(shè)備，主要是按照設(shè)定方向、扭矩、速度開展工作。電動汽車電機控制器內(nèi)部主要由控制電路、驅(qū)動電路、功率變換模塊、保護模塊、散熱系統(tǒng)等構(gòu)成。

（1）控制電路主要負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)電機的運行電壓、電流、溫度等參數(shù)，從而實現(xiàn)對整體控制器、電池管理系統(tǒng)等單元數(shù)據(jù)交互，結(jié)合不同的電機類型特點可以實現(xiàn)不同控制算法。

（2）驅(qū)動電路主要實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)化，將電機控制信號轉(zhuǎn)變?yōu)轵?qū)動信號（驅(qū)動功率變換器），并將功率信號、控制信號隔離。

（3）功率變換模塊主要是通過控制開關(guān)動作來控制電機電流。如今常見的電力電子器件為硅基IGBT。

1.2 主要特征

電動汽車電機控制系統(tǒng)要在幾秒鐘時間將電動汽車從靜止?fàn)顟B(tài)驅(qū)動到一定行駛速度，這與內(nèi)燃氣汽車發(fā)動過程較為相似。因此，想要實現(xiàn)這一目標(biāo)，就必須要求電機控制系統(tǒng)具備非常高的峰值電流能力，提供非常大的扭矩力讓汽車移動。在電動汽車使用壽命內(nèi)，要反復(fù)進行千萬次驅(qū)動流程，所以對半導(dǎo)體器件處理的可靠性有非常高的要求，并且還要保持這些器件控制精度，從而更好地獲取高峰值電流性能，但在實際應(yīng)用中要注意過載條件、異常條件下的保護性。

2 新型電機控制技術(shù)用于電動汽車的挑戰(zhàn)

汽車電子技術(shù)作為推動汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的核心動力，特別是對于電動汽車來說，其諸多創(chuàng)新都源自于汽車電子技術(shù)以及相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)應(yīng)用。其中，用戶對電動汽車的首要要求就是保證安全。通過分析汽車的運行機理可知，電機運行環(huán)境十分惡劣，必須要能夠滿足-40～125 ℃的溫度范圍，因此相比傳統(tǒng)工業(yè)，電機控制除了要滿足力矩控制精度、動態(tài)性能等要求，還要確保電機控制系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性、可靠性、安全性[1]。同時，為了能夠滿足乘客舒適度，還必須要節(jié)省電機系統(tǒng)占用空間，電機產(chǎn)品尺寸盡可能小，必須要順應(yīng)電機模塊小型化的發(fā)展趨勢。

3 新型電機控制技術(shù)用于電動汽車的機遇與發(fā)展策略

3.1 針對電機控制現(xiàn)狀提出解決方案

如今，很多汽車中都安裝了電機，即使是非電動汽車或混動汽車，未來也會朝向電動化方向發(fā)展。這是因為生產(chǎn)商想要將泵、電扇、增壓器、壓縮機從內(nèi)燃機電源中移除[2]。將傳統(tǒng)帶傳動、液壓傳動替換為電機驅(qū)動形式，減少對燃料、潤滑劑、制冷劑的依賴。在此方面，需要廠商不斷創(chuàng)新和努力，加強各個廠商之間的技術(shù)聯(lián)合，幫助電機控制方面經(jīng)驗不足的供應(yīng)商建立控制解決方案、驅(qū)動解決方案。

3.2 整車廠商、汽車電子解決方案供應(yīng)商合作

在電機控制層面上，想要保證電動汽車的實用性、可靠性，電機需要實現(xiàn)低速大扭轉(zhuǎn)，即使是在零速度下依然可以提供扭矩，所以必須要保證矢量控制的精準(zhǔn)性。不同類型電機的矢量計算方式不同。同時，新型電機控制對車規(guī)、寬溫度范圍提出了新的要求。在電動汽車控制系統(tǒng)中，加強充電系統(tǒng)、電源管理系統(tǒng)的結(jié)合是動力電機控制的重要方法，通過研究、提供完整的電機控制解決方案，如處理器、電流檢測、隔離與驅(qū)動等，這樣即可提升電機控制的綜合性能[3]。

半導(dǎo)體廠商加強科技創(chuàng)新可以為電動汽車發(fā)展提供不可或缺的推動力。從當(dāng)前我國電動汽車未來發(fā)展趨勢來看，整車廠商、汽車電子解決方案供應(yīng)商合作是一大趨勢。企業(yè)通過深耕電動汽車市場，加強整個產(chǎn)業(yè)鏈條的整合，配合電池管理廠商，共同為車場、零部件供應(yīng)商提供高質(zhì)量服務(wù)。

3.3 更高能效直接轉(zhuǎn)矩控制

電動汽車的本質(zhì)決定了其燃料泵、空調(diào)、雨刷、升窗器、車門等部位要憑借高能效的PMSM、BLDC電機，傳統(tǒng)所采用的步進電機、直流電機不能滿足使用要求[3]。在很多地區(qū)，電動汽車之所以不溫不火，主要是受到電動汽車電池充電時間、充電后使用駕駛里程影響，如果電池充電時間長且滿電駕駛里程較短，勢必不會受到市場青睞。因此，設(shè)備制造商必須要在電動汽車中采用高能效電機算法，最大程度上減少汽車運行能耗，從而提升滿電下電動汽車的駕駛里程。在電動汽車控制算法上，直接轉(zhuǎn)矩控制由于能效更高，所以在某些應(yīng)用場景可能更受市場青睞。

4 電動汽車電機控制的未來發(fā)展趨勢

4.1 高功率密度

新型電機控制技術(shù)很多，其中寬禁帶半導(dǎo)體電機控制器可以有效提升運行效率、控制操作結(jié)溫。如今大部分電動控制器都是應(yīng)用IGBT，由于使用的是硅基材料，在材料性能影響下，硅基功率器特性已經(jīng)十分接近材料自身極限承受范圍，降低了汽車運行安全性、穩(wěn)定性。而SIC 操作結(jié)溫可以達到175 ℃，操作頻率可達100 kHz，開關(guān)損耗量明顯降低，極大提升了系統(tǒng)運行效率，減少死區(qū)空間，強化了系統(tǒng)輸出性能。如豐田中央研究所和電裝公司聯(lián)合開發(fā)的SiC控制器，相比同功能Si控制器體積下降了20%，并且車輛續(xù)航能力預(yù)計提升了10%。

4.2 高壓化

對于市面上常見的電動汽車，其電壓普遍在300～400 V，為了能夠提高蓄電池充電效率，高壓化充電技術(shù)已經(jīng)成為了電動汽車充電領(lǐng)域的必然發(fā)展趨勢。電機控制器中650 V的IGBT會向750 V、1 200 V的IGBT方向發(fā)展[4]。

4.3 智能化集成

電動汽車一經(jīng)出現(xiàn)，除了減少了傳統(tǒng)石油能源的使用量，同時也是智能化技術(shù)的產(chǎn)物，在現(xiàn)有的智能型IGBT 芯片溫度檢測、電流保護、智能驅(qū)動的基礎(chǔ)上，加強了各個模塊的集成，大大降低IGBT 模塊溫度檢測延遲，加強整個模塊的安全防護[5]。多合一控制在電動汽車領(lǐng)域已經(jīng)不是常見的技術(shù)，傳統(tǒng)的多合一更多是對模塊的疊加，而未來電機控制器中會實現(xiàn)真正的集成，如動力線纜、傳感器的集成；薄膜電容與疊層母一體化設(shè)計；溫感器與IGBT集成等。

4.4 輕量化設(shè)計

在能夠確保電動汽車運行安全以及車身強度的基礎(chǔ)上，最大程度上降低車體的重量是重要發(fā)展趨勢。一方面減少車體重量可以降低能量損耗；另一方面有助于提升車輛的動力性能，這也是電動汽車廠家重點研發(fā)的方向。如日本名電舍SiC電機控制器與電機一體化設(shè)計中，主要是以輕量化設(shè)計為主打。整個電動汽車的層次為車橋和變速箱集成、發(fā)電機與電動機逆變單元集成、電機控制器與電機集成，這些設(shè)計都是為了減少車輛的整體重量[6-7]。

5 結(jié)束語

綜上所述，新型電機控制技術(shù)雖然可以有效改善電動汽車的綜合性能，提升行車的安全性、舒適性，但同時也為電動汽車發(fā)展帶來了挑戰(zhàn)。通過本文的研究，任何一項新事物，要面對挑戰(zhàn)、抓住機遇，通過找出現(xiàn)存問題的解決方案，加強與相關(guān)企業(yè)的合作、采用高效能轉(zhuǎn)矩控制，從而提高電動汽車安全性、可靠性、續(xù)航能力以及降低能耗，最大程度上加強電動汽車的使用效能。