電動汽車驅動電機和控制系統應用探討

袁菲

（廈門工學院，福建 廈門 361021）

自1886 年人類第一輛燃油汽車的誕生，汽車的發展史已經歷了100 多年。在21 世紀的今天，隨著人類保護地球可持續發展及傳統燃油汽車對大氣環境污染的加劇，全球各國的汽車制造商都在著力研發新型能源汽車，逐漸淘汰以燃油作為驅動力的傳統汽車。政府的支持和民眾的推崇，讓新能源車的關注度越來越高，其環保、低噪音、易操作等特點也越來越受到人們的喜愛。新能源車里，電動汽車是作為目前新能源技術最成熟的，和傳統燃油車不同，燃油車是靠發動機運轉做動力輸出、經變速箱、傳動部件等完成車輛的運動；而電動汽車運動的方式就簡單得多，齒輪部位被“三電系統”轉換，即動力電池系統、電驅系統、電控系統。可以這樣理解，電動車輛的乘坐舒適性和節能型都取決于電機是否優良。

1 電動汽車電機驅動控制系統的優缺點

電動汽車的核心部位就是“電機”，相當于人體的心臟。車輛運動的一切動力輸出都來自車輛驅動控制中最關鍵的部位。每臺電動汽車的驅動控制系統和不同車型的要求，電機在電動汽車中運行，都應保證安裝的電機能夠把動力最大化的發揮。在針對直流電機、交流水磁電機、開關磁阻電機、交流感應電機的對比中發現，直流電機的優點是啟動性穩定，技術成熟而且易操控，缺點是維護困難、個體笨重、成本過高等；交流永磁電機的優點是體積小巧方便搬運、功效大、轉率高，缺點就是容易退磁、控制繁雜；開關磁阻電機優點是可靠性高，結構簡單、功效高。缺點是噪音太大，不好操作。交流感應電機的優點則是成本低廉、結構簡單，缺點是維護難。分析可見，雖然交流永磁電機在效率和運行功率上高于交流感應電機，但是交流感應電機相對交流永磁電機的控制能力相對較強，而交流感應電機在電動汽車應用時無須特別維護的特點，突顯交流感應電機在電動汽車的未來發展中起重要作用。

電機驅動著汽車前行，電機控制器控制電機工作以最大效率的工作運行。其主要是由中央控制單位、功率單位、驅動控制單位等各種傳感器組成。其中，中央控制單位把車上接收到的各部件運轉的信息，轉換后發送指令傳給逆變器驅動電路，并對控制結果進行檢定。功率單位是逆變器將動力電池的直流電變成交流電輸送給電動機。驅動控制模塊將中央控制模塊的指令進行轉化，傳遞給逆變器。傳感器更是指系統應用到的如電流，電壓、溫度傳感器、電機轉角位置傳感器等。其中，電機在我們生活中廣泛運用。按功率可分為直流電機和交流電機，平常各種電器上使用的就是直流電機；而市面上電動汽車則基本上使用的交流電機。交流電機也分成兩種：同步交流電機，包括勵磁同步、永磁同步；異步交流電機，包括單相異步、三相異步電機。特別要說的是，開關磁阻電機算是目前比較新型的電機，使用可靠、構造簡單和功效高對現在電動汽車領域發展潛力巨大，也被業內人士所看好，可是由于噪聲和不易控制的原因，只能在大型車輛上使用，目前7 座以下乘用車還是以永磁同步電機更受歡迎。永磁同步電機和直流電機的結構類似，也有直流電機在構造簡單、效能大、調速優良、故障率低等同樣優勢。再者，永磁同步電機又在驅動方式區別于直流電機，在噪音和操控上更有優勢，同樣功率輸出下，永磁同步電機更適合應付多種情況。

2 對電動汽車電機驅動控制系統的分析

電動汽車在運行過程中狀態是否良好來源于驅動控制系統的優良與否。所以，保障電動汽車良好運行，驅動控制各單元的完美匹配尤為重要。矢量控制（VC）與直接轉矩控制（DTC）是驅動控制的常用單元組合，能確保電動汽車良好運行不出差錯，所以，矢量控制和直接轉矩控制的參數比較要做好記錄。按照矢量控制和直接轉矩控制的參照比對，單從數據規格來說，質量控制更容易被影響，直接轉矩控制則要穩定得多。在功率器件開關頻率比較，失量控制要高于直接轉矩控制；從系統復雜度來看，矢量控制和直接轉矩控制都較為一般；從系統低速性能觀察，矢量控制表現不錯，直接轉矩控制表現波動不穩定；從系統啟動性能上來講，矢量控制更平順有力，而直接轉矩控制對車輛的沖擊力、磨損性較大；從系統轉矩脈沖比較，矢量控制更比直接轉矩控制要小得多；從調速范圍來講，矢量控制比直接轉矩控制廣泛。由此可見，直接轉矩控制和關量控制在啟動性能、低速性能、調速范圍等各方面進行比較時，直接轉矩控制是處在相對劣勢狀態下的。

隨著全球能源局勢不明朗及針對全球氣候變化等一系列節能降耗的國家環保政策的實施，人們科學步驟地針對電動汽車控制器的專項研究和電動汽車一些關鍵部位所涉及的安全隱患研究日趨系統化。但其研究、關注的重點都有失偏駁，真正的著重點在于對電動汽車核心的驅動控制中心研究不夠透徹，規格和運行溫度超過標準限值，系統智能化不足，導致驅動系統對故障無法自檢，最終加大了電動汽車在危險路況行駛的安全隱患。

3 電動汽車控制系統的優勢

電機是電動汽車運動的能量來源。車輛本身的加速、極速、時間限值等和電動汽車各項能力都應該完美匹配。而電機驅動作為電動汽車控制系統的核心部分，未來對電動汽車的電機驅動控制系統將成為發展重點。

車輛電機控制系統的良好狀態，和電動汽車運動狀態緊密聯系。車輛在應對多路況和外部溫差天氣環境時，對電機的各種性能，如穩定、功率、啟停等各方面要求極高。駕駛員在車輛行駛過程中會有各種操作，由整車控制器接收駕駛員的指令，如加速油門和剎車踩制動踏板，然后通知車輛各控制系統運行，電機控制系統，相互配合運行使用CAN 通信。電機控制器再按照接收到的運行信息向驅動電機發出反應，改變電源電壓、電流、頻率等各種數據，從而控制驅動電機的轉速和轉動方向。在實際操作中，電機正轉保持前進方向，還是要反轉功率準備倒車狀態。還有在車輛減速過程中做能量回收，將驅動電機的副扭矩產生的運動電流進行整合分流，給動力電池組充電，接收電機轉速信息，實時反饋給車輛儀表，實時監測電機運行狀態和故障檢測，將電機狀態各項數據整合分析并反復調節，提高控制精準度，最大化保證車輛正常運轉。所以，電機控制系統作為電動汽車的核心部位，要有三個方面的優勢：一是電機控制系統是能夠經受得住頻繁的啟停操作。和燃油車不一樣，電機這方面的可靠性不定，要在汽車應對各種路況和外部天氣溫差環境多變的情況下，人為操作的啟動和關閉系統都能保持穩定良好的機械運行狀態。二是電動車輛各項指標和控制升級，加強車輛各部件的兼容和電池的可耐用度，以最大限度地使電動汽車的能量最大使用化，和強化車輛電池超續航性都有極大的提升。三是車輛電機在日常用車中，面對復雜頻繁的操作，電機啟停和靈敏度都穩定可靠。電動汽車各零部件在保證外部溫度標準內，環境溫差在30 ～130℃，電機都能良好地有效運作。所以，電動汽車的電機控制系統升級與否，能最大限度發揮電動汽車驅動控制系統優勢。

電動汽車的電機及其控制器作為電子元器件都有著極先進、復雜的技術，電機和控制系統作為車輛中最核心的技術部分，關系著車輛各項安全性能。目前，電動汽車發展已可滿足人們基本生活需要，雖然電動汽車在行駛里程與能源上的研究設計，仍有一些技術難題暫未攻克，但解決這些技術難題只是時間問題。面對地球環境污染與人類社會能源消耗的矛盾關系，國外和國內關于新能源汽車動力研發及制造水平都是在同一層次的，國內這方面也更有資源優勢和政策鼓勵，一是電動汽車的“電池、電機、電控”核心技術中，生產電池和電機所要的兩個關鍵資源在我國儲量十分豐富；二是電動汽車在國家政策扶持下，進行相關產業研發更新升級，完善驅動芯片、電機控制芯片以及電機控制系統的標準化，相信業內人士很快會帶給我們更多的驚喜，進一步推動國內電動汽車產業的優質高效發展。