新能源汽車電機控制技術及性能優(yōu)化路徑分析

摘 要：在新能源汽車領域，以動力電池、驅(qū)動電機、整車電控作為核心技術，而電機控制技術作為連接電機、電池的紐帶，其性能通常在很大程度上決定了新能源汽車的動力性能、能效水平、駕駛舒適性。基于此，文章首先分析新能源汽車常用電機控制技術，其次從改進傳統(tǒng)算法、優(yōu)化硬件組件、加強系統(tǒng)集成等方面深入研究新能源汽車電機控制性能優(yōu)化的可行路徑，以期全方位提升新能源汽車的電機效率與可靠性，為新能源汽車產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展貢獻一份力量。

關鍵詞：新能源汽車 電機控制技術 性能優(yōu)化

當前，全球環(huán)境污染問題日益嚴重，能源危機不斷加劇，汽車工業(yè)為了實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，開始積極地嘗試轉(zhuǎn)型，并以新能源汽車生產(chǎn)作為主流方向，期望通過以新能源汽車替代傳統(tǒng)燃油汽車，促進節(jié)能減排。電機控制技術作為新能源汽車其中一項核心技術，與整車的動力性能、經(jīng)濟性、可靠性等存在密切關聯(lián)。為了推動新能源汽車產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量、可持續(xù)發(fā)展，對新能源汽車電機控制技術及性能優(yōu)化路徑進行深入研究顯得格外重要。

1 新能源汽車電機控制技術

在新能源汽車的“三電”系統(tǒng)中，電機控制技術扮演著至關重要的角色，可以將其視為“神經(jīng)中樞”，對整車的動力性、安全性、舒適性都有重要影響。其中，電機控制器是電機控制系統(tǒng)中的核心部件，它的工作原理與汽車的變速箱十分相似，主要是通過整車控制器指令，并按照指令對驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩進行調(diào)節(jié)，從而準確地控制汽車在行駛時的加速、減速、轉(zhuǎn)向。

1.1 矢量控制

矢量控制也叫作磁場定向控制，是一種高效精確的電機控制策略，該策略強調(diào)以電機定子電流為核心，將其分解為兩個相互垂直的分量，即磁通分量、轉(zhuǎn)矩分量。其中，磁通分量主要負責基于電磁學的基本原理，根據(jù)電機類型產(chǎn)生相應的磁場，并通過磁場的作用將電能高效地轉(zhuǎn)換為機械能，以此來驅(qū)動電機轉(zhuǎn)子高效穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)；轉(zhuǎn)矩分量與電機的輸出轉(zhuǎn)矩息息相關，通過對電流的幅值、方向進行控制，使電動機的額定輸出轉(zhuǎn)矩，進而達到驅(qū)動負載運動的目的[1]。通過對磁通分量、轉(zhuǎn)矩分量的獨立控制，有助于提升對電機的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、功率因數(shù)等性能指標的精細化控制，確保電機在不同負載、不同運行條件下依舊保持最佳性能，以最大限度滿足新能源汽車對電機控制系統(tǒng)的嚴苛要求。

矢量控制技術不論是動態(tài)性能還是靜態(tài)性能，都具有顯著的優(yōu)勢。在靜態(tài)性能方面，可以對電機的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速進行精確有效的控制，充分保證了電機在正常運行條件下的穩(wěn)定性，尤其是在低速狀態(tài)下，仍能通過降低電機轉(zhuǎn)速、提高轉(zhuǎn)矩的方式，進一步改善平滑度，促使動力輸出的細膩性、平滑性得到顯著提升，確保行駛時無明顯的晃動；在動態(tài)性能方面，矢量控制具有敏捷的響應能力，它能基于外部指令對電機的動態(tài)特性進行實時調(diào)節(jié)，使電機快速地加速、減速、制動，讓新能源汽車在行駛時，能夠更好地適應不同的道路狀況、駕駛需求[2]。上述特性對于新能源汽車的發(fā)展至關重要，不但顯著提高了車輛的架勢性能，給用戶帶來順暢自如的駕駛體驗，更重要的是，通過對電機的精準控制，在一定程度上減少了能源消耗，有助于提高電池的續(xù)航能力，增加蓄電池的耐久力。

1.2 直接轉(zhuǎn)矩控制

在新能源汽車的電機控制領域，雖然各種類型的電機控制技術相繼涌現(xiàn)，但是最值得關注就是直接轉(zhuǎn)矩控制，因控制策略獨特、性能表現(xiàn)優(yōu)異，逐步成為該領域的研究熱點。直接轉(zhuǎn)矩控制是一種全新控制策略，與傳統(tǒng)矢量控制技術有所不同，此項技術強調(diào)以定子磁鏈軌跡跟蹤為核心，通過對電機的磁通、轉(zhuǎn)矩等參數(shù)進行實時監(jiān)控，得出實際值與定值間存在的偏差，在此基礎上對逆變器的工作狀態(tài)進行切換，從而達到調(diào)整電機的電流、電壓的目的。

直接轉(zhuǎn)矩控制在許多方面表現(xiàn)出明顯的優(yōu)越性。首先，直接轉(zhuǎn)矩控制策略的控制結構較為簡單，省略了繁瑣的矢量坐標轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，因此電機轉(zhuǎn)矩、磁鏈的調(diào)節(jié)速度大幅度提升，響應速度非?？?；其次，此種控制策略對電機的參數(shù)變化有很好的自適應能力，顯示了良好的魯棒性能，讓電機控制系統(tǒng)在任何工況下始終保持穩(wěn)定可靠運行；最后，直接轉(zhuǎn)矩控制具有良好的動力學性能，具備快速適應外部環(huán)境變化的關鍵能力，尤其適用于對電機控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩響應速度、控制精度具有嚴格要求的場景[3]。當此種控制策略應用于新能源汽車時，能夠充分滿足加速、減速、爬坡等多樣化駕駛需求，進一步優(yōu)化整車性能，讓用戶輕松實現(xiàn)良好的駕駛體驗。當然，直接轉(zhuǎn)矩控制雖具備獨特優(yōu)勢，但也存在一定局限，比如電機參數(shù)設置準確度要求高、磁通量與轉(zhuǎn)矩的誤差計算量大、電壓與電流波動易發(fā)生畸變等，因此，在針對新能源汽車選擇電機控制技術時，必須綜合考量直接轉(zhuǎn)矩控制的優(yōu)勢與局限，從實際情況出發(fā)做出恰當選擇。

1.3 智能控制

智能控制是一種新型控制策略，以人工智能、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡等先進控制理論為支撐，通過模擬人類感知和決策過程，讓電機控制系統(tǒng)運行狀態(tài)的實時監(jiān)控、分析、調(diào)節(jié)成為可能，從而達到對整個控制系統(tǒng)的自適應控制、智能控制、最優(yōu)控制。智能控制策略既把電機系統(tǒng)當下的運行狀況充分納入考量，又可以根據(jù)系統(tǒng)的過去及現(xiàn)在的狀態(tài)，科學推測其在未來某一時點的狀態(tài)，切實保障了控制決策的科學性、高效性。

車輛運行狀態(tài)、道路路況還是駕駛者需求，都是時刻在變化的，傳統(tǒng)電機控制策略主要以固定的模型、參數(shù)為基礎，很難充分適應這一系列復雜變化，進而嚴重削弱了車輛性能。此時，智能控制的優(yōu)勢便充分彰顯出來，因具備自適應強、魯棒性佳、復雜問題處理等多重優(yōu)勢，將其應用于新能源汽車電機控制系統(tǒng)中，可以實現(xiàn)車輛運行狀態(tài)、道路路況的實時監(jiān)測，并根據(jù)駕駛者需求對電機的控制策略進行靈活調(diào)整，確保電機扭矩輸出與車輛變化高度匹配，進而使車輛始終保持最佳性能[4]。智能控制在新能源汽車電機控制領域的應用方法有很多，比較常用的兩種是模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡控制，其中，前者主要是基于模糊邏輯、模糊推理，從電機控制系統(tǒng)的實際運行情況出發(fā)，對各項控制參數(shù)進行自適應調(diào)節(jié)，從而有效應對駕駛員需求、道路路況變化之類的模糊信息，使整體電機控制系統(tǒng)一直處于最優(yōu)運行狀態(tài)；后者則強調(diào)以神經(jīng)網(wǎng)絡訓練為核心，實現(xiàn)對電機控制動態(tài)性能的自適應學習[5]。神經(jīng)網(wǎng)絡具有強大的自適應、自組織、自學習的能力，使其能夠在很大程度上提高電機控制的精準度，通過對神經(jīng)網(wǎng)絡實施深度訓練，有助于對電機控制系統(tǒng)未來的運行狀態(tài)進行精確預測，并在此基礎上制定與之適配的控制策略，如此就能顯著提高電機控制系統(tǒng)的能效。

2 新能源汽車電機控制性能優(yōu)化的可行路徑

2.1 改進傳統(tǒng)算法

在新能源汽車領域，雖然傳統(tǒng)電機控制算法的應用十分廣泛，但隨著用戶駕駛需求增加、道路工況復雜多變、節(jié)能需求提高，傳統(tǒng)控制算法因存在諸多局限，適用性越來越低。基于此，如何改進傳統(tǒng)電機控制算法，成為一項亟待解決的問題，是進一步提高控制精度、響應速度以及自適應能力，有效優(yōu)化新能源汽車電機控制性能的重要舉措。

傳統(tǒng)電機控制算法一般是基于經(jīng)驗、試驗數(shù)據(jù)來確定控制參數(shù)，主觀性和局限性較強。為了有效克服這種局限，建議技術人員依托先進仿真軟件，分別模擬不同車速、不同負載、不同路況等條件下，電機控制系統(tǒng)的運行狀態(tài)，從而充分收集相關的性能數(shù)據(jù)。接著，技術人員需要多維度分析數(shù)據(jù)，以分析結果為導向，根據(jù)不同工況下電機特性，針對性地調(diào)整控制參數(shù)，如此就能達到提高控制精度、減少能源消耗的目的，以確保新能源汽車在各種駕駛條件下都能達到最優(yōu)性能[6]。合理優(yōu)化控制邏輯，技術人員應當基于新能源汽車現(xiàn)有的電機控制系統(tǒng)，在其中額外增設傳感器，用于實時監(jiān)測電機的運行狀態(tài)、環(huán)境溫度、電池電量等情況，并采集相關數(shù)據(jù)，把這部分數(shù)據(jù)反饋至控制算法中，就能把電機的運行狀態(tài)客觀反映出來，進而為控制策略調(diào)整提供強有力依據(jù)。當然，也可以將自適應機制引入電機控制系統(tǒng)中，用于根據(jù)實際情況，對電機控制的各項參數(shù)、控制策略進行動態(tài)化調(diào)整，以促進響應速度、控制精度的協(xié)同提高。

2.2 優(yōu)化硬件組件

當前，我國新能源汽車產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)出快速發(fā)展趨勢，為了提升車輛整體性能，在激烈市場競爭中占據(jù)優(yōu)勢，越來越多的新能源汽車企業(yè)開始積極地進行電機性能優(yōu)化。而硬件作為電機控制系統(tǒng)的基礎架構，其中包含諸多關鍵組件，對這些硬件組件進行優(yōu)化，通過這些硬件組件的協(xié)同工作，促使電機能夠根據(jù)預設的控制算法、指令進行精確運動控制，進而達到提升電機控制性能的目的。

首先是功能器件，功能器件作為電機驅(qū)動及控制系統(tǒng)的核心，主要是通過連接電機、電池，在車輛行駛時有效調(diào)節(jié)整車各項性能，切實保障車輛的基本安全、精準操控。在選擇功能器件時，技術人員應當以低損耗、可靠性強、開關速度快的功率半導體器件作為首選，諸如碳化硅、絕緣柵雙極型晶體管等都十分適用，如此就能合理地減少電機控制系統(tǒng)運行時的能源消耗。對電路設計進行優(yōu)化，除了使用級多功能元件、集成元件之外，還需要把電路中不必要的元件剔除，通過減少元件數(shù)量、連接點的方式，打造高集成的驅(qū)動電路，把電路運行時的故障率控制到最低，隨著電路布局的優(yōu)化，有助于降低電磁干擾風險，使電路響應速度更快、穩(wěn)定性更高[7]。其次是傳感器，傳感器的功能是監(jiān)測電機運行狀態(tài)，實時采集運行數(shù)據(jù)。技術人員在選擇傳感器時，應當把精度指標、穩(wěn)定性性能納入考量，選擇與電機控制系統(tǒng)要求相適應的優(yōu)質(zhì)傳感器，并將其布置在遠離電磁干擾源的位置，或者利用屏蔽技術，將外部電磁場有效隔離，利用這種額外屏蔽措施促使傳感器的抗干擾能力得到顯著增強。在布局傳感器時，技術人員需要根據(jù)測量范圍、測量角度，嚴格按照安裝要求，將傳感器布置在適宜位置，把控好各個傳感器之間的距離，特別是動力學傳感器和光電傳感器，配線必須分開敷設，以防止相互干擾，確保其具備實時、準確、全面的監(jiān)測能力。

2.3 加強系統(tǒng)集成

加強系統(tǒng)集成，是優(yōu)化電機控制性能的有效舉措，提供電機與控制器集成、多物理場耦合優(yōu)化，能簡化電機控制系統(tǒng)的結構，減少成本投入，更重要的是有助于顯著提升電機控制系統(tǒng)的可靠性以及響應速度。

傳統(tǒng)電動汽車，電機和控制器是相互獨立的兩個部件，此種設計方式極大地增加了電機控制系統(tǒng)的復雜性，而且由于布線繁瑣，因此信號傳輸延遲的情況時有發(fā)生，能源消耗量也相對較大。為了有效改善這一現(xiàn)狀，設計人員需要對電機控制系統(tǒng)實施模塊設計，把電機、控制器、減速器集成到一個模塊中，構建“三合一系統(tǒng)”，如此就能進一步提升系統(tǒng)的可拓展性，減少電機、控制器之間不必要的接口和接線，以大幅度增強系統(tǒng)的緊湊性[8]。由于信號傳輸路徑變短，能夠很好地規(guī)避信號延遲風險，顯著提高了車輛的性能和效率。與此同時，在多物理場耦合優(yōu)化方面多下功夫，根源在于新能源汽車電機控制系統(tǒng)存在一定的復雜性，其中涉及諸多物理場，包括電磁場、機械場、熱場等，這些物理場相輔相成、相互影響，對電機控制系統(tǒng)的性能、行為往往起到直接影響。技術人員在優(yōu)化電機性能的過程中，需要把多物理場之間的耦合效應納入考量范疇，比如電磁場對熱場的影響、機械場對電磁場的影響等，積極引入有限元分析、多目標優(yōu)化等先進設計方法，進一步提高電機的可靠性，促使整車性能得到顯著提升。

3 結語

綜上所述，在新能源汽車領域，電機控制技術是推動產(chǎn)業(yè)發(fā)展的引擎，其性能優(yōu)化直接關系到整車性能。常用的電機控制技術包括矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制、智能控制等，為了進一步優(yōu)化電機控制性能，技術人員應當充分了解上述控制技術的核心原理，在此基礎上堅持目標導向原則，積極地采取改進傳統(tǒng)算法、優(yōu)化硬件組件、加強系統(tǒng)集成等策略，有效簡化電機控制系統(tǒng)的整體結構，進一步提升電機的動態(tài)性能，確保其具備適應各種復雜工況的關鍵能力，最大限度滿足用戶對整車性能、安全性、舒適性的實際需求，從而獲得順暢自如的駕駛體驗。

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