純電動(dòng)汽車(chē)用電機(jī)及其控制技術(shù)發(fā)展概況和趨勢(shì)

顧 燕

（常州劉國(guó)鈞高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，江蘇 常州 213025）

1 研究的背景及意義

1.1 研究的背景

隨著資源與環(huán)境雙重壓力的持續(xù)增大，電動(dòng)汽車(chē)已成為未來(lái)汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展方向。電動(dòng)汽車(chē)具有環(huán)保、節(jié)約、簡(jiǎn)單三大優(yōu)勢(shì)，這在純電動(dòng)汽車(chē)上體現(xiàn)尤為明顯：以電動(dòng)機(jī)代替燃油機(jī)，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)而無(wú)需變速箱。相對(duì)于變速箱，電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠。

隨著國(guó)家節(jié)能與新能源汽車(chē)補(bǔ)貼政策的出臺(tái)，我國(guó)重點(diǎn)扶持純電動(dòng)汽車(chē)的戰(zhàn)略路線基本確定。當(dāng)前市場(chǎng)在售或即將進(jìn)入市場(chǎng)的純電動(dòng)汽車(chē)基本都是高端電動(dòng)車(chē)，價(jià)格大都在15萬(wàn)元以上，甚至有的達(dá)到20多萬(wàn)元，即便是享受?chē)?guó)家補(bǔ)貼，但大部分人還是覺(jué)得價(jià)格偏高，同時(shí)擔(dān)心充電設(shè)施不配套及電池的續(xù)航里程短等問(wèn)題，導(dǎo)致企業(yè)已上“公告”的純電動(dòng)汽車(chē)遲遲無(wú)法推出市場(chǎng)，個(gè)別已上市的產(chǎn)品也得不到消費(fèi)者的認(rèn)可，“熱政策”遇到了“冷市場(chǎng)”。相反，低速電動(dòng)汽車(chē)因?yàn)閮r(jià)廉物美，得到了不少消費(fèi)者的青睞。在山東、河北、河南、浙江等地一些城鎮(zhèn)，節(jié)能環(huán)保低速純電動(dòng)汽車(chē)已形成一定的規(guī)模，數(shù)量日益增長(zhǎng)。

1.2 研究的意義

發(fā)展低速電動(dòng)汽車(chē)具有長(zhǎng)遠(yuǎn)的戰(zhàn)略意義。從現(xiàn)實(shí)角度來(lái)看，低速電動(dòng)汽車(chē)是推動(dòng)我國(guó)電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)化、開(kāi)啟電動(dòng)汽車(chē)大規(guī)模消費(fèi)市場(chǎng)的最佳產(chǎn)品；從長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展來(lái)看，通過(guò)低速電動(dòng)汽車(chē)的技術(shù)升級(jí)提升高端電動(dòng)汽車(chē)的核心技術(shù)。相信國(guó)家行業(yè)主管部門(mén)會(huì)在立足國(guó)情的基礎(chǔ)上，出臺(tái)低速電動(dòng)汽車(chē)標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)，引導(dǎo)低速電動(dòng)汽車(chē)行業(yè)的規(guī)范發(fā)展，為低速電動(dòng)汽車(chē)健康發(fā)展?fàn)I造良好的市場(chǎng)環(huán)境。

2 純電動(dòng)汽車(chē)用電磁型電機(jī)分類介紹

純電動(dòng)汽車(chē)用電磁型電機(jī)大致可以分為直流電機(jī)和交流電機(jī)，交流電機(jī)包括交流異步電機(jī)（感應(yīng)電機(jī)）和交流同步電機(jī)。車(chē)用交流同步電機(jī)一般是永磁同步電機(jī)或是開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)。當(dāng)永磁同步電機(jī)工作在方波換向模式時(shí)，又常稱為無(wú)刷直流電機(jī)。

2.1 直流電機(jī)

直流電機(jī)由定子、轉(zhuǎn)子、換向器和電刷組成，定子上有磁極，轉(zhuǎn)子有繞組，通電后，轉(zhuǎn)子上也形成磁極，定子和轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)之間有一個(gè)夾角，在定轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的相互吸引下，使電機(jī)旋轉(zhuǎn)。直流電機(jī)商品化歷史最長(zhǎng)，控制簡(jiǎn)單且具有優(yōu)良的電磁轉(zhuǎn)矩控制特性，串勵(lì)直流電機(jī)、他勵(lì)直流電機(jī)、永磁（有刷）直流電機(jī)控制系統(tǒng)至今仍在電動(dòng)車(chē)輛中大量應(yīng)用，缺點(diǎn)是電機(jī)本身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，機(jī)械換向，有電刷的維護(hù)問(wèn)題，換向的電火花會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的電磁干擾，高速可能有環(huán)火，不適宜高速運(yùn)行，體積偏大，防護(hù)差。鑒于缺點(diǎn)眾多以及其他電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的迅速發(fā)展，可以預(yù)見(jiàn)，直流電機(jī)將逐步被淘汰。

2.2 交流異步電機(jī)

交流異步電機(jī)由定子和轉(zhuǎn)子構(gòu)成，簡(jiǎn)單堅(jiān)固，成本較低。在運(yùn)行時(shí)，定子通過(guò)交流電而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)切割轉(zhuǎn)子中的導(dǎo)體，在轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電流，轉(zhuǎn)子的感應(yīng)電流產(chǎn)生一個(gè)新的磁場(chǎng)，兩個(gè)磁場(chǎng)相互作用則使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。

3 電機(jī)控制技術(shù)發(fā)展概況

3.1 交流異步電機(jī)控制發(fā)展迅速

交流異步電機(jī)控制復(fù)雜，近年之所以得到迅速推廣，主要得益于電力電子技術(shù)、微處理器技術(shù)和交流電機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展。交流異步電機(jī)的控制方式包括 V/f控制、滑差頻率控制、矢量控制（磁場(chǎng)定向控制和直接轉(zhuǎn)矩控制）。20世紀(jì)90年代前常用前兩種，但存在轉(zhuǎn)速控制范圍小，轉(zhuǎn)矩控制特性不理想的問(wèn)題，近年來(lái)，為得到最佳的控制性能，高端電機(jī)控制器一般都采用矢量控制技術(shù)。

3.2 永磁同步電機(jī)應(yīng)用廣泛

永磁同步電機(jī)是利用永磁體建立勵(lì)磁磁場(chǎng)的同步電機(jī)，其定子產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子用永磁材料制成，磁場(chǎng)相互作用使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。永磁同步電機(jī)具有效率高、轉(zhuǎn)矩和功率密度大、功率因數(shù)高、可靠性高和便于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。

3.3 無(wú)刷直流電機(jī)成本優(yōu)勢(shì)明顯

無(wú)刷直流電機(jī)多為表貼式永磁同步電機(jī)，但一般基于 Hall反饋采用方波換相控制，大大降低了控制器成本，但因受限于轉(zhuǎn)子位置分辨精度差（±30電角度）、控制策略過(guò)于簡(jiǎn)單以及極差的高速弱磁性能，較少作為車(chē)用中置驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

3.4 開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)應(yīng)用受限

開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子鐵心均由硅鋼片疊壓而成定，轉(zhuǎn)子沖片均有一齒槽，構(gòu)成雙凸極結(jié)構(gòu)，依定子和轉(zhuǎn)子片上齒槽的多少，形成不同的極數(shù)。開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的工作原理遵循“磁阻最小原理”——磁通總是沿磁阻最小的路徑閉合，因此，由磁場(chǎng)扭曲而產(chǎn)生磁阻性質(zhì)的電磁轉(zhuǎn)矩。

4 國(guó)內(nèi)外發(fā)展趨勢(shì)

4.1 基于成本分析

對(duì)低壓（100VDC以內(nèi)）、微型、低速（最高70 km/h）純電動(dòng)汽車(chē)的應(yīng)用，考慮市場(chǎng)成熟度和成本因素，應(yīng)優(yōu)先考慮交流異步電機(jī)控制系統(tǒng)，未來(lái)可逐漸向內(nèi)置式永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)過(guò)渡。

4.2 國(guó)內(nèi)外主流車(chē)用低壓控制器廠家

目前，中國(guó)市場(chǎng)上供應(yīng)的車(chē)用低壓交流電機(jī)控制器產(chǎn)品的公司主要包括：

（1）國(guó)際上專業(yè)提供電動(dòng)車(chē)輛交流控制器的廠商，如美國(guó)Curtis、英國(guó) Sevcon、意大利 ZAPI、意大利 SME、美國(guó) Danaher、英國(guó)PG，這些企業(yè)在電動(dòng)車(chē)輛領(lǐng)域積累多年，有成熟的產(chǎn)品，但并非專門(mén)針對(duì)電動(dòng)汽車(chē)應(yīng)用，很多產(chǎn)品的市場(chǎng)定位僅為交流電控叉車(chē)領(lǐng)域。

（2）國(guó)內(nèi)專業(yè)從事電動(dòng)車(chē)輛電機(jī)控制器研發(fā)生產(chǎn)的公司，如深圳大地和、北京時(shí)光科技、上海電驅(qū)動(dòng)、天津松正（提供永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)）、上海大郡，交流電機(jī)控制器一般在2010年以后研發(fā)完成或正在研發(fā)之中，功能不夠全面，性能不夠高、也不夠穩(wěn)定。

（3）國(guó)內(nèi)從事工業(yè)用交流電機(jī)控制器研發(fā)生產(chǎn)的公司，成立車(chē)用電機(jī)控制器的事業(yè)部，如匯川技術(shù)。由于車(chē)用低壓交流控制器與工業(yè)用變頻器在技術(shù)上有一定的相通性，匯川技術(shù)利用它在交流電機(jī)控制方面的技術(shù)優(yōu)勢(shì)以及批量生產(chǎn)能力迅速開(kāi)發(fā)出車(chē)用交流電機(jī)控制器并將其推向市場(chǎng)，但因?yàn)槠髽I(yè)進(jìn)入電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域的時(shí)間不長(zhǎng)，對(duì)需求的把握還有所欠缺。

可見(jiàn)，車(chē)用低壓交流控制器的市場(chǎng)成熟度不高，未來(lái)隨著微型汽車(chē)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)需求量的逐漸增大，相信越來(lái)越多的企業(yè)會(huì)加入到研發(fā)、制造車(chē)用低壓交流控制器的行列中。

4.3 交流電機(jī)控制技術(shù)的飛躍發(fā)展

交流異步電機(jī)是一個(gè)多變量、非線性、強(qiáng)耦合的復(fù)雜系統(tǒng)，這也是其控制難的根源所在。過(guò)去的標(biāo)量控制方法（如 V/f控制、滑差頻率控制）都是從電機(jī)穩(wěn)態(tài)方程的角度研究其控制特性，因此保持定子、氣隙或是轉(zhuǎn)子磁鏈恒定僅有穩(wěn)態(tài)下成立，動(dòng)態(tài)控制效果很不理想。而矢量控制從TM坐標(biāo)系（M軸按轉(zhuǎn)子磁鏈的方向定向）下的交流異步電機(jī)模型出發(fā)，采用矢量變換的方法研究電機(jī)的動(dòng)態(tài)過(guò)程，不僅控制電流、磁鏈變量的幅值，同時(shí)控制其相位，并利用現(xiàn)代控制理念，巧妙實(shí)現(xiàn)了交流電機(jī)磁通和轉(zhuǎn)矩的解耦控制，促成了高性能交流異步電機(jī)控制系統(tǒng)的出現(xiàn)，控制性能完全可以媲美有刷直流電機(jī)。可以說(shuō)，矢量控制是交流電機(jī)控制技術(shù)的一次飛躍。隨著微處理器技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字控制芯片的運(yùn)算能力和可靠性得到很大提高，這為實(shí)施復(fù)雜的交流電機(jī)控制算法提供了硬件支撐。

5 結(jié)束語(yǔ)

目前，可以確定的是，直流電機(jī)將逐步被交流電機(jī)取代，開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)應(yīng)用還不成熟，然而交流異步電機(jī)、永磁同步電機(jī)孰優(yōu)孰劣還難下定論。近年來(lái)，在批量生產(chǎn)的日本電動(dòng)汽車(chē)車(chē)型上以內(nèi)置式永磁同步電機(jī)為主流，而美、歐開(kāi)發(fā)的電動(dòng)汽車(chē)多采用交流異步電機(jī)。

［1］侯卓生.異步電動(dòng)機(jī)的矢量控制與四種新型DSP處理器［J］.西北民族學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2001（03）.