新能源汽車電機(jī)控制方式及性能提升的技術(shù)創(chuàng)新改進(jìn)

摘 要：新能源汽車電機(jī)控制技術(shù)作為新能源汽車核心技術(shù)之一，其性能直接影響到整車的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性。從現(xiàn)有科技水平來看，新能源汽車電機(jī)的控制仍有改進(jìn)的空間與程度。本文結(jié)合電機(jī)新技術(shù)發(fā)展，對(duì)三種常見電機(jī)，應(yīng)用無級(jí)變速調(diào)節(jié)、空間矢量脈沖寬度調(diào)制、直接轉(zhuǎn)矩控制等手段，對(duì)使用功率、電路優(yōu)化兼容、電磁轉(zhuǎn)矩精確度等電能轉(zhuǎn)換效率指標(biāo)進(jìn)行了仿真的測(cè)試分析，提出了新能源汽車電機(jī)控制性能提升的有效途徑和實(shí)現(xiàn)方式。

關(guān)鍵詞：新能源汽車 電機(jī)控制 性能提升 創(chuàng)新改進(jìn)

新能源汽車不僅大大減輕了空氣污染和能源短缺的壓力，其市場(chǎng)占有率也日益增大，且逐漸得到了人們的認(rèn)可。但就目前我國新能源汽車技術(shù)發(fā)展來看，還存在諸多問題亟待解決，如缺乏全方位的技術(shù)支持、電池續(xù)航不足等，導(dǎo)致新能源汽車的性能并未達(dá)到最優(yōu)化。尤其是新能源汽車電機(jī)控制技術(shù)，在提供車輛動(dòng)力、提升電能與機(jī)械能之間轉(zhuǎn)換效率、提升控制性能等技術(shù)指標(biāo)方面仍存在較大的缺陷。

就控制性能而言，目前常用的電機(jī)調(diào)速控制方式是通過改變電壓或電流來實(shí)現(xiàn)的[1]。但是，這樣的方式是十分低效的，電機(jī)無法提供足夠的轉(zhuǎn)矩，導(dǎo)致電機(jī)無法確保在足夠的時(shí)間內(nèi)保持其性能，降低了可靠性，也更容易損壞。此外，與工業(yè)電機(jī)相比，新能源汽車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)面臨著更多的發(fā)展挑戰(zhàn)，如速度控制范圍不夠?qū)?、控制效率不高以及?qū)動(dòng)循環(huán)動(dòng)態(tài)運(yùn)行不可預(yù)測(cè)等[2]。

針對(duì)以上諸多問題，本文首先剖析了直流電機(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)以及交流感應(yīng)電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)，其次針對(duì)新能源汽車使用的幾種電機(jī)創(chuàng)新的應(yīng)用無級(jí)變速調(diào)節(jié)、空間矢量脈沖寬度調(diào)制、直接轉(zhuǎn)矩控制等手段，對(duì)電機(jī)使用功率、電路優(yōu)化設(shè)計(jì)、電磁轉(zhuǎn)矩精確度等進(jìn)行了真實(shí)的測(cè)試與數(shù)據(jù)分析，提出了改進(jìn)直流電機(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)以及交流感應(yīng)電機(jī)的控制性能提升的方法。

1 常見的電機(jī)控制技術(shù)

電機(jī)是一種功率元件，其獨(dú)特之處在于它能夠在電能和機(jī)械能之間實(shí)現(xiàn)雙向轉(zhuǎn)化。這種轉(zhuǎn)化不僅體現(xiàn)在電機(jī)的電動(dòng)功能上，還體現(xiàn)在其發(fā)電功能上，使得電機(jī)具有雙重功率特性。正是基于雙重功率特性，電機(jī)的控制方式是多樣的。以下是三種常見的電機(jī)控制方式，被廣泛應(yīng)用在同步電機(jī)、異步電機(jī)等上面。

1.1 恒壓頻比控制

恒壓頻比即將電機(jī)的電壓和頻率作為外部變量，供電電壓的基波幅值隨著速度的變化而規(guī)律變化，從而保證定子每頻率電壓保持恒定來獲得恒定的磁通[3]。此控制方式屬于開環(huán)控制，策略簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)速可直接通過電源頻率進(jìn)行控制。但是，此控制系統(tǒng)中沒有信息反饋，所以電磁轉(zhuǎn)矩?zé)o法精確控制。同時(shí)，如果有額外負(fù)載時(shí)，電機(jī)容易出現(xiàn)失步現(xiàn)象。

1.2 磁場(chǎng)定向控制

矢量控制的基本思路是將三相坐標(biāo)系下的相關(guān)變量轉(zhuǎn)換到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算[4]。主要過程是先測(cè)量三相定子電流，然后將三個(gè)電流值分別經(jīng)過Clark變換和Park變換得到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的兩個(gè)電流值，然后計(jì)算轉(zhuǎn)換后電流值與其設(shè)定值的誤差，將誤差輸入控制器，得到輸出的控制電壓，將電壓進(jìn)行反Park和反Clark變換得到三個(gè)電壓值。最后，用這三個(gè)電壓值計(jì)算出三相各橋臂開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間。磁場(chǎng)定向控制的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能好，控制精度高，運(yùn)行平穩(wěn)且轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小，但是相對(duì)的系統(tǒng)計(jì)算較為復(fù)雜。

1.3 轉(zhuǎn)矩控制

轉(zhuǎn)矩控制的基本思路是放棄了矢量控制中電流解耦的控制思想[5]。在定子坐標(biāo)系下，直接控制電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈，通過觀測(cè)器觀測(cè)實(shí)際的電磁轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈，與給定值相比較。通過實(shí)時(shí)檢測(cè)電機(jī)定子電壓和電流，計(jì)算轉(zhuǎn)矩和磁鏈的幅值，與給定值比較，利用差值來控制定子磁鏈的幅值及該矢量相對(duì)與磁鏈的夾角。轉(zhuǎn)矩控制具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、對(duì)參數(shù)攝動(dòng)靈敏度低、魯棒性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，適用于動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、調(diào)速寬的應(yīng)用場(chǎng)景。然而，它也存在低速時(shí)電流和轉(zhuǎn)矩波動(dòng)以及對(duì)高采樣頻率要求高的缺點(diǎn)[6]。

2 新能源汽車使用的三種傳統(tǒng)電機(jī)控制技術(shù)

電機(jī)的種類繁多，包括直流電機(jī)、開關(guān)型磁阻調(diào)速電機(jī)、交流異步感應(yīng)電機(jī)以及永磁同步電機(jī)等，它們各自在不同領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，它們的優(yōu)缺點(diǎn)以及常規(guī)控制方式如下。

2.1 直流電機(jī)

改變直流電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向，可以通過兩種方法實(shí)現(xiàn)：勵(lì)磁繞組反接法和電樞反接法。除了旋轉(zhuǎn)方法的控制外，直流電機(jī)的調(diào)速主要通過三種方式實(shí)現(xiàn)：調(diào)電壓、在繞組中串聯(lián)電阻及變磁調(diào)速。直流電機(jī)控制技術(shù)廣泛應(yīng)用于大功率、高精度的自控系統(tǒng)中，優(yōu)點(diǎn)主要是其穩(wěn)定的性能和易于控制的特性。而且，因其啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大的優(yōu)勢(shì)被廣泛用于輔助起動(dòng)，或因其調(diào)速范圍廣以及成本低的特點(diǎn)，用于壓縮機(jī)或水泵等。此外，代直流電機(jī)控制技術(shù)還引入了微處理器、傳感器等先進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和智能調(diào)節(jié)，進(jìn)一步提高了直流電機(jī)的控制精度和可靠性。

但是，直流電機(jī)因功率密度低以及電磁兼容性的問題是一個(gè)較大的缺點(diǎn)，令其難以滿足新能源汽車的動(dòng)力需求。

2.2 開關(guān)型磁阻調(diào)速電機(jī)

開關(guān)磁阻電機(jī)最常見的控制方法有四種：第一種是保持電壓不變，通過改變開通角和關(guān)斷角進(jìn)行控制，磁方法轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)范圍大、電機(jī)運(yùn)行的效率高，但不適用于低速運(yùn)行；第二種是電流斬波控制，保持開通角和關(guān)斷角不變。這種方式適用于低速和制動(dòng)運(yùn)行，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩也平穩(wěn)，但是用作調(diào)速系統(tǒng)時(shí)，抗負(fù)載擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢；第三種是電壓控制，通過調(diào)節(jié)信號(hào)的占空比進(jìn)行控制。該控制方式抗負(fù)載擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，但轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大，調(diào)速范圍有限；最后是組合控制，即根據(jù)不同工況結(jié)合以上方法的控制方式，例如在車輛高速運(yùn)行時(shí)使用角度控制，低速運(yùn)行時(shí)使用電流斬波控制[7]。

2.3 交流異步感應(yīng)電機(jī)

交流異步感應(yīng)電機(jī)調(diào)速方式一般有三種：變極調(diào)速、變頻調(diào)速以及調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)差率調(diào)速[8]。為了確保電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行，無論是采用直接轉(zhuǎn)矩控制還是矢量控制，都需要對(duì)轉(zhuǎn)子的初始位置進(jìn)行精確的定位。這種電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是能夠在提高整車操控性能、動(dòng)力性能和安全性能方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用[9]。

然而，交流異步感應(yīng)電機(jī)在實(shí)際應(yīng)用中也存在一些缺點(diǎn)。由于定子與轉(zhuǎn)子存在轉(zhuǎn)差率，使得調(diào)速性能較差；調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩時(shí)，定轉(zhuǎn)子之間的磁場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，也會(huì)使得電機(jī)發(fā)生振動(dòng)和噪音。而且在極端情況下，還可能引發(fā)線路熔斷故障，嚴(yán)重威脅到新能源純電動(dòng)汽車的正常行駛和乘客的安全[10]。

3 新能源汽車電機(jī)控制技術(shù)的創(chuàng)新改進(jìn)

通過對(duì)直流電機(jī)控制、開關(guān)型磁阻調(diào)速電機(jī)控制、交流異步感應(yīng)電機(jī)控制等三種方式的剖析，發(fā)現(xiàn)它們?cè)谡嬲褂脮r(shí)都不能完美的達(dá)到較高的效能。為此，本文通過查閱以及仿真數(shù)據(jù)對(duì)比，找出能降低電機(jī)控制劣勢(shì)缺陷，以及提高電機(jī)控制效率效能的方法。具體做法如下。

3.1 無級(jí)變速優(yōu)化和電機(jī)電路優(yōu)化下的直流電機(jī)控制技術(shù)精確度提高

針對(duì)直流電機(jī)技術(shù)的優(yōu)化，可以從兩個(gè)方面入手：一是實(shí)現(xiàn)無級(jí)變速優(yōu)化[11]，二是進(jìn)行電機(jī)電路的優(yōu)化[12]。

無級(jí)變速優(yōu)化是直流電機(jī)技術(shù)優(yōu)化的重要方向之一。傳統(tǒng)的直流電機(jī)調(diào)速方式往往存在調(diào)速范圍有限、調(diào)速精度不高的問題。無級(jí)變速技術(shù)則能夠克服這些缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)平滑、連續(xù)的調(diào)速，從而提高電機(jī)的運(yùn)行效率和穩(wěn)定性。為了實(shí)現(xiàn)無級(jí)變速優(yōu)化，可以采用先進(jìn)的電子調(diào)速器，通過精確控制電機(jī)的電壓和電流，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的無級(jí)變速。同時(shí)，還可以通過優(yōu)化電機(jī)的控制系統(tǒng)，提高電機(jī)的調(diào)速精度和響應(yīng)速度，從而更好地滿足實(shí)際應(yīng)用需求。其次，電機(jī)電路的優(yōu)化也是直流電機(jī)技術(shù)優(yōu)化的重要內(nèi)容之一。電機(jī)電路的優(yōu)化可以有效降低電機(jī)的能耗和溫升，提高電機(jī)的運(yùn)行效率和可靠性。為了實(shí)現(xiàn)電機(jī)電路的優(yōu)化，我們可以采用先進(jìn)的電路設(shè)計(jì)技術(shù)，如使用高效能的電子元件、優(yōu)化電路布局等。此外，還可以通過引入智能控制技術(shù)，如模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)電路的精確控制，進(jìn)一步提高電機(jī)的運(yùn)行性能和穩(wěn)定性。

3.2 整距繞組雙定子軸向磁通結(jié)構(gòu)及單齒繞線繞組結(jié)構(gòu)改變的開關(guān)型磁阻電機(jī)性能提升

在提升開關(guān)磁阻電機(jī)性能的過程中，除了常規(guī)的調(diào)控方法外，有研究還創(chuàng)新性的提出兩種新型結(jié)構(gòu)[13]，整距繞組雙定子軸向磁通結(jié)構(gòu)以及單齒繞線繞組結(jié)構(gòu)，并與常見的集中繞組結(jié)構(gòu)作對(duì)比，得出結(jié)論：通過改變雙定子結(jié)構(gòu)能提高開關(guān)磁阻電機(jī)的性能。

結(jié)果顯示，整距繞組雙定子軸向磁通結(jié)構(gòu)具有更短的磁通路徑，轉(zhuǎn)矩特性對(duì)比下可得整距繞組樣機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出能力最大；圖1顯示當(dāng)施加電流為30A升到50A時(shí)，三種結(jié)構(gòu)電機(jī)的平均靜態(tài)轉(zhuǎn)矩值都上升了，但整距繞組結(jié)構(gòu)的數(shù)值最高?？梢姡娏髟酱?，整距繞組結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)矩輸出能力越高，證明其具有更強(qiáng)的轉(zhuǎn)矩過載能力，性能更優(yōu)秀。同時(shí)，從圖1中三者電感曲線對(duì)比可能看出，整距繞組結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)矩密度更高。

3.3 空間矢量脈沖寬度調(diào)制與直接轉(zhuǎn)矩控制方法改進(jìn)下的交流異步感應(yīng)電機(jī)功率提級(jí)

交流異步感應(yīng)電機(jī)，在實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)差率調(diào)速時(shí)，可通過在轉(zhuǎn)子上串聯(lián)電阻實(shí)現(xiàn)，可以通過改變定子端電壓實(shí)現(xiàn)，也可以通過串級(jí)來達(dá)到調(diào)速的效果。當(dāng)然，為了進(jìn)一步提高其性能，我們需要采取一系列的控制策略。

首先，可以采用空間矢量脈沖寬度調(diào)制控制。這是由三相功率逆變器組成的控制系統(tǒng)，輸出的電流波形十分接近理想的正弦波形。與普通的空間脈寬調(diào)制相比，電機(jī)能獲得更理想的圓形磁鏈軌跡，這使得電壓型逆變器的電壓利用率得到提高。同時(shí)，因?yàn)榭臻g矢量脈沖寬度調(diào)制繞組電流波形的諧波小，能減小電機(jī)轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)。通過空間矢量脈沖寬度調(diào)制控制系統(tǒng)仿真后的圖2可以看出，在電機(jī)空載起動(dòng)后電磁轉(zhuǎn)矩突變，角速度也隨之升高，定子的瞬間起動(dòng)電流很大，但是經(jīng)短暫的調(diào)節(jié)后達(dá)到穩(wěn)態(tài)，證明了此控制下轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小[14]。

其次，直接轉(zhuǎn)矩控制也是交流異步電機(jī)主要的控制方法之一。與上述的矢量控制相比，直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)不需進(jìn)行旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)的變換，且控制過程中所需的參數(shù)較少，可大幅降低由于電機(jī)參數(shù)變化對(duì)性能的影響。根據(jù)異步電機(jī)DTC系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)，時(shí)間設(shè)為0.2s，磁鏈和轉(zhuǎn)矩滯環(huán)寬度均設(shè)為0.01，帶負(fù)載轉(zhuǎn)矩10Nm起動(dòng)，轉(zhuǎn)速800r/min。當(dāng)電機(jī)運(yùn)行至0.1s時(shí)，負(fù)載增加至50Nm。電機(jī)起動(dòng)后，轉(zhuǎn)速由0快速增加到設(shè)定值，轉(zhuǎn)速出現(xiàn)超過調(diào)制，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快。0.1s負(fù)載轉(zhuǎn)矩突增時(shí)，轉(zhuǎn)速稍微下降，但能快速回到設(shè)定值并趨于穩(wěn)定，可見控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)速抗干擾能力強(qiáng)，穩(wěn)定性高。

4 結(jié)語

綜上所述，新時(shí)代的新能源汽車市場(chǎng)的蓬勃發(fā)展，離不開電機(jī)控制技術(shù)的創(chuàng)新改進(jìn)，每一種技術(shù)的突破都是對(duì)新能源汽車性能提升的關(guān)鍵支撐。為解決電機(jī)發(fā)展面臨的多重挑戰(zhàn)，本文通過查閱數(shù)據(jù)、仿真對(duì)標(biāo)等分析及圖表示意，表明直流電機(jī)的無級(jí)變速優(yōu)化和電路優(yōu)化，能進(jìn)一步提高直流電機(jī)的運(yùn)行性能和穩(wěn)定性；開關(guān)磁阻電機(jī)在精準(zhǔn)控制調(diào)控參數(shù)下，性能也得到提升；交流異步電機(jī)采用空間矢量脈沖寬度調(diào)制以及直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)下，效率得到提高，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)得以減小。這些技術(shù)不僅提高了新能源汽車的驅(qū)動(dòng)性能，還極大地提升了其能源利用效率，為新能源汽車的可持續(xù)發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。未來，隨著新材料、新工藝和新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，相信新能源汽車電機(jī)控制技術(shù)將會(huì)有更加廣闊的發(fā)展空間和應(yīng)用前景。

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