新能源汽車(chē)電機(jī)控制技術(shù)及其性能優(yōu)化策略探索

潘彥宇

摘 要：隨著社會(huì)對(duì)于環(huán)境保護(hù)的重視與新能源汽車(chē)技術(shù)發(fā)展，使得新能源汽車(chē)成為了全球汽車(chē)產(chǎn)業(yè)中的熱點(diǎn)話題。在新能源汽車(chē)中，電機(jī)控制技術(shù)是關(guān)鍵的核心技術(shù)之一，對(duì)于提升車(chē)輛性能、延長(zhǎng)續(xù)航里程以及實(shí)現(xiàn)智能化駕駛都具有重要意義。因此對(duì)新能源汽車(chē)電機(jī)控制技術(shù)及其性能優(yōu)化策略進(jìn)行分析，旨在為推動(dòng)新能源汽車(chē)行業(yè)轉(zhuǎn)型與升級(jí)提供一定的參考借鑒。

關(guān)鍵詞：新能源汽車(chē) 電機(jī)控制技術(shù) 性能優(yōu)化 策略

1 引言

目前，隨著能源與環(huán)境問(wèn)題日趨嚴(yán)重，人們對(duì)于新能源汽車(chē)的關(guān)注普遍提高。與之同時(shí)發(fā)生的還有能源消耗與浪費(fèi)、環(huán)境污染問(wèn)題等，交替挑撥著社會(huì)群眾的神經(jīng)。也就是說(shuō)，傳統(tǒng)能源到新能源的變革是未來(lái)的重要趨勢(shì)，不但要從國(guó)家政策層面逐漸滲透和引導(dǎo)，也要從日常生活與學(xué)習(xí)、工作中重視起來(lái)。研究新能源汽車(chē)電機(jī)控制技術(shù)及其性能優(yōu)化策略，可以更好地落實(shí)節(jié)能減排、“零污染”等，值得深入研究與實(shí)踐。

2 新能源汽車(chē)電機(jī)控制技術(shù)概述

2.1 傳統(tǒng)汽車(chē)電機(jī)控制技術(shù)回顧

在過(guò)去，汽車(chē)電機(jī)控制技術(shù)表現(xiàn)為在燃油車(chē)型中使用電機(jī)控制系統(tǒng)，主要采用直流電機(jī)和傳統(tǒng)的電機(jī)控制方法，如PWM（脈寬調(diào)制）控制、電流反饋控制等，相對(duì)簡(jiǎn)單且成熟，但在能源利用效率和環(huán)境友好性方面存在一定局限性[1]。隨著新能源汽車(chē)的快速發(fā)展，為了提高電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能和效率，新能源汽車(chē)電機(jī)控制技術(shù)得到了廣泛關(guān)注與研究。

2.2 新能源汽車(chē)電機(jī)控制技術(shù)發(fā)展概況

新能源汽車(chē)電機(jī)控制技術(shù)是近年來(lái)快速發(fā)展的新興技術(shù)，可以概括為以下幾個(gè)方面：第一，隨著功率電子器件的不斷進(jìn)步，如高性能的IGBT模塊、SiC器件等的應(yīng)用，提高了電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的效率和可靠性[2]；第二，隨著控制算法的不斷優(yōu)化，如矢量控制、無(wú)傳感器控制等，使得電機(jī)控制更加精確和靈活；第三，智能化技術(shù)的引入，如人工智能、大數(shù)據(jù)分析等，為電機(jī)控制系統(tǒng)提供了更多智能選擇。正也因此，為滿足高效率、高可靠性和高性能要求，電機(jī)控制系統(tǒng)的智能化和自適應(yīng)性也是未來(lái)發(fā)展的重要方向[3]。

3 新能源汽車(chē)電機(jī)控制技術(shù)分析

3.1 直流電機(jī)控制技術(shù)

直流電機(jī)控制技術(shù)是新能源汽車(chē)電機(jī)控制領(lǐng)域的一個(gè)重要分支，其核心在于對(duì)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩進(jìn)行精確控制。通常采用PWM技術(shù)進(jìn)行控制，通過(guò)改變占空比實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)[4]。除此之外，還可以通過(guò)改變電機(jī)的電極極數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，同時(shí)多種傳感器也被廣泛應(yīng)用于直流電機(jī)控制中，例如霍爾傳感器、編碼器等。由于直流電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、轉(zhuǎn)速范圍廣、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，在新能源汽車(chē)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

3.2 永磁同步電機(jī)控制技術(shù)

永磁同步電機(jī)控制技術(shù)利用永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互作用，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的控制和驅(qū)動(dòng)。在位置控制方面，通過(guò)采集電機(jī)的位置信息，利用閉環(huán)控制算法精確控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度。而在轉(zhuǎn)速控制方面，通過(guò)調(diào)節(jié)電機(jī)的電壓和電流，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的精確控制。為了實(shí)現(xiàn)更高的動(dòng)態(tài)性能和控制精度，永磁同步電機(jī)的控制技術(shù)還可以結(jié)合磁場(chǎng)定向控制和空間矢量調(diào)制等先進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)與電流的精確匹配，提高電機(jī)的效率和響應(yīng)速度，進(jìn)一步優(yōu)化電機(jī)的輸出特性，降低電機(jī)的諧波失真。通過(guò)精確的位置控制和轉(zhuǎn)速控制，結(jié)合先進(jìn)的控制算法，實(shí)現(xiàn)高效率、高性能的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

3.3 感應(yīng)電機(jī)控制技術(shù)

感應(yīng)電機(jī)控制技術(shù)也是新能源汽車(chē)中常用的電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)之一，使用感應(yīng)電機(jī)作為動(dòng)力傳動(dòng)裝置，通過(guò)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速、扭矩等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)整車(chē)的控制。相比于其他兩種電機(jī)控制技術(shù)，感應(yīng)電機(jī)控制技術(shù)具有成本低、體積小、維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，因此在新能源汽車(chē)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。同時(shí)，感應(yīng)電機(jī)控制技術(shù)還可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的高效工作，提高整車(chē)的續(xù)航里程和行駛穩(wěn)定性，有著較好的應(yīng)用前景。

4 新能源汽車(chē)電機(jī)控制性能優(yōu)化策略分析

4.1 效率優(yōu)化策略

4.1.1 車(chē)速控制策略

為了調(diào)整保證電機(jī)性能水平，可以采取車(chē)速的閉環(huán)控制方法，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)車(chē)輛的速度并與預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較，從而調(diào)整電機(jī)控制參數(shù)，使車(chē)速能夠穩(wěn)定在目標(biāo)數(shù)值附近。這樣可以有效減少能量浪費(fèi)和電機(jī)損耗，提高整車(chē)能效。接著，針對(duì)車(chē)速控制策略優(yōu)化，可以采用動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)方式。即根據(jù)不同的駕駛工況和路況，調(diào)整電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩、功率等。如，在起步和加速時(shí)，適當(dāng)增大電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，以提供更高的動(dòng)力；而在勻速行駛時(shí)，減小輸出轉(zhuǎn)矩，以降低功耗和噪音。通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)車(chē)速控制，可以使電機(jī)工作在最佳點(diǎn)，提高整車(chē)能效和駕駛穩(wěn)定性。此外，還可以通過(guò)優(yōu)化電機(jī)控制算法來(lái)進(jìn)行車(chē)速控制。傳統(tǒng)的電機(jī)控制算法PID在一定程度上存在響應(yīng)速度慢、魯棒性差等問(wèn)題。因此，可以采用先進(jìn)的控制算法，如模型預(yù)測(cè)控制（MPC）或者基于人工智能的控制方法，來(lái)實(shí)現(xiàn)更精確的車(chē)速控制，根據(jù)電機(jī)和整車(chē)的動(dòng)態(tài)特性，進(jìn)行在線優(yōu)化和自適應(yīng)調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)更高的控制精度和穩(wěn)定性[5]。當(dāng)然，也需要考慮電機(jī)系統(tǒng)的整合和優(yōu)化。如，在電機(jī)設(shè)計(jì)階段，選擇具有較高效率和較低損耗的電機(jī)結(jié)構(gòu)，以提高能量利用率和熱管理能力。另外，優(yōu)化電機(jī)控制器的硬件和軟件設(shè)計(jì)，提高控制精度和響應(yīng)速度。結(jié)合車(chē)輛動(dòng)力學(xué)特性和驅(qū)動(dòng)需求，進(jìn)行整車(chē)級(jí)的協(xié)同控制，以最大限度地發(fā)揮電機(jī)的性能優(yōu)勢(shì)。總之，通過(guò)以上車(chē)速控制方法，可以調(diào)整保證電機(jī)控制性能水平，進(jìn)一步提高新能源汽車(chē)的整車(chē)性能。

4.1.2 轉(zhuǎn)矩控制策略

在轉(zhuǎn)矩控制中，有幾個(gè)重要方面需要考慮和調(diào)整，以確保電機(jī)控制性能水平提高。首先，在不同工況下，對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的需求是不同的。因此，需要根據(jù)車(chē)輛的加速、行駛速度、坡度等因素，動(dòng)態(tài)地調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出，可以最大程度地提高電機(jī)的工作效率。其次，電機(jī)在不同轉(zhuǎn)速和負(fù)載下的效率是變化的，因此需要選擇適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)矩控制方式。在低速低負(fù)載情況下，可以采用高效率運(yùn)行方式，提高電機(jī)的效率；而在高速高負(fù)載情況下，可以采用高功率運(yùn)行方式，以獲得更大的輸出轉(zhuǎn)矩[6]。此外，電機(jī)在工作過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一定的熱量，如果不能及時(shí)有效地進(jìn)行散熱，會(huì)導(dǎo)致電機(jī)溫度升高，影響性能和壽命。因此，在轉(zhuǎn)矩控制過(guò)程中，需要根據(jù)電機(jī)的熱特性和工作條件，合理調(diào)整控制確保電機(jī)的溫度在可接受范圍內(nèi)?？梢圆捎弥悄苌嵯到y(tǒng)、風(fēng)扇控制等方式，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電機(jī)溫度并進(jìn)行有效控制，以保證電機(jī)的穩(wěn)定工作和長(zhǎng)壽命。最后，在制動(dòng)或減速過(guò)程中，通過(guò)逆變器對(duì)電機(jī)施加逆向轉(zhuǎn)矩，可以將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能并存儲(chǔ)到電池中，以達(dá)到能量回收的目的。因此，在轉(zhuǎn)矩控制過(guò)程中，需要設(shè)計(jì)合適的能量回收策略，以最大程度地利用制動(dòng)能量，提高整車(chē)能效。綜上，合理調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制，將進(jìn)一步提高整車(chē)的效率和性能，為用戶提供更好的駕駛體驗(yàn)，并推動(dòng)新能源汽車(chē)發(fā)展普及。

4.2 能量回收優(yōu)化策略

4.2.1 制動(dòng)能量回收控制

制動(dòng)能量回收可以將制動(dòng)過(guò)程中消耗的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能，進(jìn)而儲(chǔ)存在電池中，以便在需要時(shí)使用。不僅可以提高能源利用率，減少對(duì)傳統(tǒng)燃油的依賴，還可以降低車(chē)輛污染和噪音。在制動(dòng)能量回收控制方面，主要有兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：一是確定回收的能量大?。欢谴_定回收的時(shí)機(jī)[7]。對(duì)于第一個(gè)點(diǎn)，能量回收的大小應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。如果回收的能量太小，那么就不能充分利用制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)能；如果回收的能量太大，那么就可能會(huì)出現(xiàn)過(guò)度充電等問(wèn)題[8]。因此，需要根據(jù)車(chē)速、制動(dòng)力度等因素來(lái)進(jìn)行調(diào)整。通常情況下，能量回收的大小可以通過(guò)變換制動(dòng)器的電流來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于第二個(gè)點(diǎn)，確定回收的時(shí)機(jī)也很重要。如果回收的時(shí)機(jī)太早，那么就會(huì)影響制動(dòng)效果；如果回收的時(shí)機(jī)太晚，那么就會(huì)浪費(fèi)一部分能量。因此，需要根據(jù)車(chē)速、制動(dòng)距離等因素來(lái)判斷何時(shí)開(kāi)始回收能量。通常情況下，當(dāng)車(chē)速降低到一定程度時(shí)，就可以開(kāi)始回收能量了。另外，為了保證安全，制動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)該具備一定的余量。也就是說(shuō)，在制動(dòng)過(guò)程中，如果回收的能量已經(jīng)達(dá)到了上限，但是仍然需要繼續(xù)制動(dòng)，那么就應(yīng)該通過(guò)摩擦制動(dòng)來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償，以達(dá)到最優(yōu)的效果。

4.2.2 減阻能量回收控制

減阻能量回收控制是在新能源汽車(chē)行駛過(guò)程中，通過(guò)控制電機(jī)的工作方式和轉(zhuǎn)矩輸出來(lái)降低車(chē)輛的阻力，從而達(dá)到能量回收的目的，可以有效地提高汽車(chē)的能源利用效率，延長(zhǎng)電池組的壽命，同時(shí)也能夠減少對(duì)環(huán)境的污染，具有十分重要的意義。減阻能量回收控制的實(shí)現(xiàn)需要綜合考慮多個(gè)因素，包括路況、行駛速度、車(chē)輛質(zhì)量等。在具體操作時(shí)，需要通過(guò)電機(jī)控制系統(tǒng)來(lái)對(duì)電機(jī)的輸出進(jìn)行調(diào)節(jié)，以達(dá)到降低阻力、回收能量的效果。具體來(lái)說(shuō)當(dāng)車(chē)輛處于慣性滑行狀態(tài)時(shí)，需要通過(guò)控制電機(jī)反轉(zhuǎn)，使其產(chǎn)生逆向轉(zhuǎn)矩，從而減少車(chē)輛的阻力，此時(shí)電機(jī)會(huì)產(chǎn)生電能并回饋到電池中，實(shí)現(xiàn)能量回收。在車(chē)輛行駛過(guò)程中，通過(guò)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩輸出來(lái)降低車(chē)輛的阻力，減少能量的消耗，如在下坡行駛或減速過(guò)程中，將電機(jī)轉(zhuǎn)為發(fā)電狀態(tài)，將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存到電池中；通過(guò)調(diào)整電機(jī)的輸出，使其產(chǎn)生適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)矩輸出，從而減少摩擦阻力和空氣阻力，降低車(chē)輛的能量消耗，實(shí)現(xiàn)能量回收；通過(guò)對(duì)車(chē)輛行駛路線、路況等因素進(jìn)行預(yù)測(cè)，并結(jié)合實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)工作狀態(tài)的智能調(diào)節(jié)，從而最大化能源回收效果[9]。

4.3 動(dòng)力性能優(yōu)化策略

4.3.1 加速性能優(yōu)化控制

為了實(shí)現(xiàn)加速性能的優(yōu)化，需要對(duì)電機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)調(diào)整和算法優(yōu)化。其中，關(guān)鍵的參數(shù)包括電機(jī)控制器的電流、電壓和轉(zhuǎn)矩等設(shè)置，以及電機(jī)控制算法中的PID參數(shù)等[10]。通過(guò)合理調(diào)整這些參數(shù)，可以使電機(jī)在加速過(guò)程中輸出更大的功率和轉(zhuǎn)矩，從而提高加速性能。在此基礎(chǔ)上，加速性能優(yōu)化還需要考慮電池管理系統(tǒng)（BMS）的參與，根據(jù)電池的狀態(tài)和性能特點(diǎn)，動(dòng)態(tài)調(diào)整電池的輸出功率，以滿足加速時(shí)的需求[11]。如，在電池容量充足的情況下，BMS可以提供更高的放電功率，從而增加電機(jī)的輸出功率，提高加速性能。另外，為了進(jìn)一步提升加速性能，可以采用電機(jī)控制器的場(chǎng)勵(lì)磁控制策略。通過(guò)調(diào)整電機(jī)控制器的場(chǎng)勵(lì)磁參數(shù)，改變磁場(chǎng)分布，進(jìn)而增加電機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出。這在高速加速時(shí)尤為有效，可以顯著提升車(chē)輛的加速性能。此外，電機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)與車(chē)輛的傳動(dòng)系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)模式等相匹配，以確保能夠充分發(fā)揮電機(jī)的動(dòng)力輸出，還可以通過(guò)優(yōu)化車(chē)輛的質(zhì)量分布、降低空氣阻力等措施來(lái)提升整車(chē)的加速性能，為用戶提供更好的駕駛體驗(yàn)[12]。

4.3.2 負(fù)載適應(yīng)性優(yōu)化控制

負(fù)載適應(yīng)性優(yōu)化控制是根據(jù)當(dāng)前負(fù)載情況，對(duì)電機(jī)控制策略進(jìn)行調(diào)整，以提高車(chē)輛的能效和動(dòng)力性能。具體來(lái)說(shuō)，可以采用電機(jī)參數(shù)在線調(diào)整、閉環(huán)控制算法優(yōu)化等方法，實(shí)現(xiàn)在不同負(fù)載下電機(jī)的最佳工作狀態(tài)。同時(shí)，還可以優(yōu)化車(chē)輛的傳動(dòng)系統(tǒng)，通過(guò)改變齒比、變速器等方式，使得電機(jī)在不同負(fù)載下都能夠始終處于高效工作狀態(tài)，從而充分發(fā)揮電機(jī)的動(dòng)力性能。此外，還可以利用智能控制算法，對(duì)車(chē)輛行駛過(guò)程中的負(fù)載進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析，以便更好地適應(yīng)負(fù)載變化，提高電機(jī)控制的精度和穩(wěn)定性?？傊?，負(fù)載適應(yīng)性優(yōu)化控制是新能源汽車(chē)電機(jī)控制中至關(guān)重要的一環(huán)，能夠有效提高車(chē)輛的動(dòng)力性能和能效表現(xiàn)。

5 結(jié)束語(yǔ)

總而言之，新能源汽車(chē)電機(jī)控制技術(shù)的研究具有深遠(yuǎn)影響，經(jīng)研究總結(jié)電機(jī)控制技術(shù)在新能源汽車(chē)領(lǐng)域不斷創(chuàng)新進(jìn)步。尤其在直流電機(jī)技術(shù)優(yōu)化、開(kāi)關(guān)型磁阻調(diào)速電機(jī)技術(shù)優(yōu)化、交流異步感應(yīng)電機(jī)技術(shù)優(yōu)化等方面下功夫，將有效增強(qiáng)新能源汽車(chē)性能素質(zhì)。具體還有效率優(yōu)化策略、能量回收優(yōu)化策略和動(dòng)力性能優(yōu)化策略等，通過(guò)不同程度的調(diào)整將進(jìn)一步提高電機(jī)系統(tǒng)效率、延長(zhǎng)續(xù)航里程。然而，盡管新能源汽車(chē)電機(jī)控制技術(shù)已取得顯著進(jìn)展，但仍面臨一些挑戰(zhàn)，如高成本、儲(chǔ)能技術(shù)不足和電機(jī)控制算法復(fù)雜等，需要進(jìn)一步研究探索。

參考文獻(xiàn)：

[1]李耀華，蘇錦仕，秦輝等.表貼式永磁同步電機(jī)多步預(yù)測(cè)控制簡(jiǎn)化算法[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2022，26（11）：122-131.

[2]湯思佳.移動(dòng)互聯(lián)時(shí)代《新能源汽車(chē)電機(jī)與控制技術(shù)》課程教學(xué)研究[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2021，（18）：242-245.

[3]宋昱霖.新能源汽車(chē)永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].中國(guó)科學(xué)院大學(xué)（中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所），2021.

[4]戴斌.新型電機(jī)控制技術(shù)用于電動(dòng)汽車(chē)的機(jī)遇與挑戰(zhàn)研究[J].機(jī)電工程技術(shù)，2021，50（01）：25-26+93.

[5]高文璇.基于滑模觀測(cè)和模糊邏輯的永磁同步電機(jī)控制技術(shù)及應(yīng)用[D].華南理工大學(xué)，2020.

[6]周豪.基于分立式SiC MOSFET的新能源汽車(chē)電機(jī)控制器研究[D].華南理工大學(xué)，2020.

[7]馬鳴威.基于永磁同步電機(jī)的新能源汽車(chē)控制系統(tǒng)研究[D].長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)，2019.

[8]陳躍.新能源汽車(chē)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制技術(shù)分析[J].南方農(nóng)機(jī)，2019，50（09）：235.

[9]李毅拓，雙三相電機(jī)控制器SVPWM方法及計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)介質(zhì).河南省，河南森源重工有限公司，2019-05-01.

[10]張慶.基于專業(yè)教學(xué)資源庫(kù)的新能源汽車(chē)電機(jī)與控制技術(shù)課程教學(xué)設(shè)計(jì)研究[J].武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2018，17（05）：67-70.

[11]張?jiān)浦?，袁康?新能源汽車(chē)企業(yè)的專利態(tài)勢(shì)與發(fā)展對(duì)策研究——以B企業(yè)專利地圖分析為例[J].秘書(shū)，2018，（03）：55-63.

[12]周煒.上汽集團(tuán)新能源汽車(chē)研發(fā)投入優(yōu)化研究[D].東華大學(xué)，2018.