新能源汽車與電機驅(qū)動控制技術(shù)

周美玲

（長春汽車工業(yè)高等專科學(xué)校，吉林 長春 130013）

0 引言

我國早在本世紀(jì)初就提出了可持續(xù)發(fā)展的原則，在提升科學(xué)技術(shù)水平和居民生活質(zhì)量的同時，對資源利用和環(huán)境危害要在可控范圍內(nèi)，在此核心戰(zhàn)略的背景下，能源節(jié)約和保護環(huán)境成為了重要的民生工程。若將汽車的能源由燃油更換為一種可再生、低排放的新型能源，將更有利于可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的推動。近年來已經(jīng)有越來越多的車企對電能加以利用開發(fā)新型能源汽車，油電混合汽車和純電汽車的技術(shù)也已經(jīng)日漸成熟，逐漸被人們所熟知，市場規(guī)模也在逐步擴大中[1]。

1 新能源汽車特點

對于使用者而言，新能源汽車與傳統(tǒng)汽車的差異性并不大。目前新能源汽車的操控模式和技術(shù)是與傳統(tǒng)汽車保持一致的，對于有駕駛技能的人來說新能源汽車并不需要額外的技能學(xué)習(xí)，也不需要進行相關(guān)資質(zhì)的重新認(rèn)定。

但是對于汽車相關(guān)從業(yè)者而言，新能源汽車具有較大差異性。新能源汽車的核心動力系統(tǒng)是與傳統(tǒng)汽車有很大區(qū)別的，無論是油電混合驅(qū)動還是純電驅(qū)動，內(nèi)部都有一個電動機作為動力輸出裝置，有蓄電池作為能量的儲存裝置，在進行組裝、維修、保養(yǎng)等工作的過程中，需要引進新的技術(shù)才能正常開展相關(guān)工作。

在政策上新能源汽車具有更多的扶持，在購車、充電時均有相關(guān)補貼和優(yōu)惠政策，部分地區(qū)采取專用停車位、不限號等形式鼓勵新能源汽車的購買和使用[2]。

2 新能源汽車核心控制點

2.1 安全性

汽車作為交通運輸工具，其服務(wù)的對象是人，安全是重要的控制點之一。與傳統(tǒng)汽車的安全規(guī)定相同，新能源汽車不能因其創(chuàng)新的特性而降低安全標(biāo)準(zhǔn)。對于安全保障，除傳統(tǒng)汽車的安全措施之外還應(yīng)考慮電力安全。新能源汽車的主要動力來源是電池，電池在多次充電放電的條件下能否穩(wěn)定如一，在長時間高功率使用的情況下散熱如何，當(dāng)環(huán)境溫度較高時能否保證安全等，這都是新能源汽車相比于傳統(tǒng)汽車來說需要進一步考慮的安全指標(biāo)。

2.2 動力要求

傳統(tǒng)汽車的動力源是燃油發(fā)動機，根據(jù)使用的燃油標(biāo)號和發(fā)動機的內(nèi)燃形式不同，其提供的動力大小也不同。理論上來說燃油發(fā)動機的動力是穩(wěn)定且強力的，能夠保證汽車在多種環(huán)境下、多種負(fù)載條件下的行進穩(wěn)定。對于性能型汽車來說，動力穩(wěn)定且足夠是基本要求。在人們對于高質(zhì)量汽車有較多需求的今天，使用電力作為動力來源還需考慮能否滿足人們的需求。對于動力的需求也成為了消費者進行選擇時的重要考慮因素，在此方面至少應(yīng)對標(biāo)傳統(tǒng)汽車的動力標(biāo)準(zhǔn)，不能因環(huán)保、創(chuàng)新而犧牲基本使用要求。

2.3 續(xù)航能力

汽車作為代步交通工具，續(xù)航能力也是很有必要的。傳統(tǒng)燃油車并無續(xù)航能力的指標(biāo)要求，其動力來源是燃油，在當(dāng)今社會加油站已經(jīng)隨處可見，且想提高燃油車的續(xù)航，只需簡單地增加油箱容量即可達到。對于新能源汽車，其能源補充方式是通過專用的充電設(shè)備進行充電，即使未來充電樁已經(jīng)全面普及和覆蓋，但充電的過程需要大量時間。新能源汽車的續(xù)航能力不僅僅是單純提高電池容量，當(dāng)電池容量過大時不僅僅體積和自重增加，也會帶來一定的安全隱患[3]。續(xù)航能力也是新能源汽車的核心控制點之一，需要在安全、經(jīng)濟、實用之中找尋平衡。

3 新能源汽車電機驅(qū)動控制技術(shù)簡析

3.1 電力供應(yīng)和循環(huán)

新能源汽車的電力供應(yīng)采用蓄電池的形式，無法采用電源線持續(xù)供電的形式。相比于電網(wǎng)供電，電池供電的電壓有前后變化，為了確保汽車有穩(wěn)定的功率輸出，則新能源汽車的電機控制系統(tǒng)必須具有整流正壓的功能或有完備的功率控制方案。新能源汽車的動能還要進行循環(huán)，當(dāng)車輛自然下滑或依靠慣性前進時，要合理進行動力回收，以保證能源的高效利用。

3.2 電機選用原則

3.2.1 性能穩(wěn)定

汽車作為交通運輸工具有著載人載物的需求，電機作為動力源來說要具有穩(wěn)定的輸出性能，不僅僅需要帶動汽車主體本身，還要考慮滿載情況。汽車的設(shè)計大都沒有承重限制，那么就要求電機性能優(yōu)異，避免因性能不足造成汽車無法使用的問題。在穩(wěn)定輸出的同時自身也要具有實用性和穩(wěn)定性，選用電機時決不能以性能強勁為唯一標(biāo)準(zhǔn)，要綜合考慮穩(wěn)定性、經(jīng)濟性等因素。

3.2.2 功率穩(wěn)定

汽車的應(yīng)用場景是多樣化的，司機獨自駕駛或滿載人與貨物的情況均可能出現(xiàn)，也會行駛于不同的路況坡度，在行駛過程中也會有不同的速度需求。例如在暢通的高速公路，其時速需求可能在120km/h，但在堵車的情況下，其時速可能僅有5km/h。考慮極端情況，在高速場景下，即使汽車滿載，也需有達到120km/h時速的能力，這就對功率穩(wěn)定提出了重要需求。若功率不穩(wěn)定，在相同的操控之下時快時慢，或因荷載不同造成輸出效果不同，都不符合汽車的需求，可能會令使用者面臨交通安全隱患。

3.2.3 電磁輻射

電磁輻射對于人體和小型電氣設(shè)備均有負(fù)面影響，交流電機或組合電機在使用的過程中可能產(chǎn)生電磁輻射。過量的電磁輻射不僅對人的身體健康具有危害，對于汽車內(nèi)的其他電氣控件而言也可能引發(fā)數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確或者失效的問題。故在新能源的電機選用過程中，需注意電磁輻射量是否滿足安全標(biāo)準(zhǔn)，是否會對人或設(shè)備造成負(fù)面影響。對于車企而言，也要選用符合銷售地安全標(biāo)準(zhǔn)的電機設(shè)備。

3.2.4 經(jīng)濟耐用

汽車作為高價值動產(chǎn)具有經(jīng)濟價值屬性，電機作為核心驅(qū)動部件，其價值的高低可能對整車價值有決定性影響。在電機選用的過程中，其經(jīng)濟耐用性也是值得思考的。作為汽車的使用者，并不會對汽車內(nèi)部的技術(shù)問題完全掌握，在選用時就要選取穩(wěn)定的設(shè)備類型以減少后期維護和維修的成本。其次還要具有耐用性，作為高價值品，在正常使用情況下應(yīng)滿足人們的心理消費預(yù)期時長，不應(yīng)在短期內(nèi)產(chǎn)生性能和價值損耗。

3.3 驅(qū)動技術(shù)與控制技術(shù)

在新能源汽車的應(yīng)用中，大部分采用兩相電的形式。根據(jù)電流形式的不同，其主要有直流電機驅(qū)動和交流電機驅(qū)動兩種形式，分別被稱為直流電動機驅(qū)動系統(tǒng)和交流電動機驅(qū)動系統(tǒng)。兩種驅(qū)動形式有著較多差異性，其優(yōu)缺點也各不相同。直流驅(qū)動形式的技術(shù)較為成熟，直流電機的成本也比較低，控制簡單，對于汽車來說也有著較為方便的調(diào)速系統(tǒng)。直流電機的構(gòu)成中核心部件是電刷和換向器，也是電機中的易損件，需要定期維護。對于汽車來說，在銷售出廠后需盡量減少維護，故直流電機在新能源汽車中的應(yīng)用并不多[4]。經(jīng)過技術(shù)革新后的交流電機相比于直流電機，能源效率高、維護次數(shù)少，且具有直流電機的大部分優(yōu)點。

電機有多種分類形式，在新能源汽車的電機選用中，功率密度是一個很重要的指標(biāo)，其決定了汽車性能與穩(wěn)定性。永磁電機因功率密度高，也成為了新能源汽車的重要組成部分。將直流無刷電動機與永磁同步電機相結(jié)合，即可得到效率高、體積小、重量輕的驅(qū)動系統(tǒng)，其結(jié)合了直流電機和交流電機的優(yōu)點，成為大部分新能源汽車的驅(qū)動形式。

開關(guān)磁阻電動機驅(qū)動系統(tǒng)也是新能源汽車的預(yù)選驅(qū)動形式之一，能源效率同樣較高，且性能非常好。以轉(zhuǎn)子無刷繞組元件為核心的電機系統(tǒng)，能夠在多次頻繁的正反轉(zhuǎn)當(dāng)中保持穩(wěn)定，也能夠承受較大的負(fù)載沖擊。相比于感應(yīng)電機而言其電路是比較簡單的，不易發(fā)生電路故障問題。因其開關(guān)元件的特殊性，也能適用于較大范圍調(diào)速的場景之下。

在新能源汽車的應(yīng)用場景中，對于調(diào)控而言主要是加速減速、差速控制、制動，這些需求在電學(xué)和動力學(xué)中可以簡化為對速度和力矩的改變。在進行驅(qū)動和改變時的核心目標(biāo)是提高效率。若驅(qū)動系統(tǒng)是直流電機，其操控是比較簡單的，一般來說經(jīng)典直流電機的轉(zhuǎn)速和電流有關(guān)，功率與電源總功率有關(guān)，在額定功率范圍內(nèi)，電機得到的電流越多，其轉(zhuǎn)速越快，功率符合經(jīng)典電學(xué)規(guī)律。交流電機在進行速度調(diào)控時需使用矢量控制的方式，因有逆變器的影響，可能在控制過程中還需加入微電腦計算修正的控制形式，綜合實施難度較大[5]。

上文中提及的永磁電機控制形式與磁場有關(guān)，根據(jù)磁場形式的不同分為方波型和正弦波型兩種，改變速度的方式為改變頻率，頻率的改變將直接影響電機的運行速度。目前比較主流的做法是采用PWM斬波控制IGBT逆變器，但該設(shè)備可能產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)矩波動，穩(wěn)定性一般，雖實際應(yīng)用較少，但也已經(jīng)在新能源汽車中出現(xiàn)。解決方案是增加電機調(diào)節(jié)控制模塊，能夠更精準(zhǔn)地控制波形改變時的扭矩，從而提供穩(wěn)定的頻率變化。

4 結(jié)語

新能源汽車是時代發(fā)展和科學(xué)進步的產(chǎn)物，相比于傳統(tǒng)汽車使用燃油作為動力源，其對于環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展是具有重要意義的。為滿足汽車對速度、舒適、安全的需求，對于電機的選擇十分重要。本文通過對新能源汽車的需求和驅(qū)動模式進行分析，從驅(qū)動技術(shù)與控制技術(shù)出發(fā)，對于新能源汽車的電機選用和新型驅(qū)動系統(tǒng)研發(fā)而言是具有參考意義的。