關(guān)于新能源汽車及電機(jī)驅(qū)動(dòng)的研究

孟令陽 趙達(dá)

摘要：電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)是現(xiàn)代汽車的核心控制技術(shù)之一，在新能源汽車的發(fā)展中，起著越來越重要的作用。相對(duì)而言，新能源汽車與電機(jī)驅(qū)動(dòng)的控制技術(shù)，是密不可分的，應(yīng)通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)的控制技術(shù)，更好的完善新能源汽車，并且大幅度的降低汽油的運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)新能源的更大發(fā)展。另一方面，在研究和應(yīng)用電機(jī)驅(qū)動(dòng)的控制技術(shù)方面，應(yīng)盡量加強(qiáng)聯(lián)合技術(shù)的應(yīng)用，配合各種設(shè)備和細(xì)小的零部件，完成新能源汽車的多項(xiàng)優(yōu)化。在此，本文主要對(duì)新能源汽車及電機(jī)驅(qū)動(dòng)的控制技術(shù)進(jìn)行討論。

關(guān)鍵詞：新能源電動(dòng)車;電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

1電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)性能指標(biāo)

電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的核心是電機(jī)及其控制器，以電機(jī)為核心的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)占整車成本的60%左右。所以，降低電動(dòng)汽車成本的關(guān)鍵在于電控系統(tǒng)的優(yōu)化。電動(dòng)汽車要能夠取代傳統(tǒng)汽車，必須在各項(xiàng)指標(biāo)上達(dá)到甚至超越燃油車輛的性能，比如對(duì)不同氣候，不同道路條件的適應(yīng)能力，對(duì)駕駛員和乘客的安全保障，舒適程度等。電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能指標(biāo)，我們可以總結(jié)為以下幾條：

（1）車輛能量轉(zhuǎn)換效率要高，功率密度要大，續(xù)駛里程要長(zhǎng)。可通過開發(fā)新型電池和優(yōu)化電機(jī)及控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn);

（2）速度低時(shí)提供大扭矩來實(shí)現(xiàn)車輛起步、加速等要求，較高車速巡航時(shí)提供小轉(zhuǎn)矩、恒功率;

（3）電機(jī)及控制系統(tǒng)能夠長(zhǎng)時(shí)間在惡劣的環(huán)境下工作，可靠性高，減振性強(qiáng)，免維護(hù)或者少維護(hù);

（4）駕駛員操縱車輛方便，具有安全保障措施，舒適性好;

（5）車輛內(nèi)部各種電子設(shè)備之間不出現(xiàn)互相干擾現(xiàn)象;

（6）車輛便于維修，系統(tǒng)不復(fù)雜，整體系統(tǒng)成本較低。

2 電動(dòng)汽車電機(jī)系統(tǒng)分析

目前，電動(dòng)汽車使用較多的電機(jī)系統(tǒng)主要有四種：直流電機(jī)、永磁同步電機(jī)（包括直流無刷電機(jī)）、開關(guān)磁阻電機(jī)和交流異步電機(jī)。表1為電動(dòng)汽車幾種常用驅(qū)動(dòng)電機(jī)的性能比較。

（1）直流電機(jī)是早期在電動(dòng)汽車上廣泛采用的驅(qū)動(dòng)設(shè)備，也是結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的一種電機(jī)。直流電機(jī)控制方法容易實(shí)現(xiàn)，利用電壓進(jìn)行控制，具有交流電機(jī)不可比擬的電磁轉(zhuǎn)矩控制特性。但是直流電機(jī)有無法克服的缺點(diǎn)：直流電機(jī)有電刷，因此需要經(jīng)常維護(hù);同時(shí)直流電機(jī)的質(zhì)量很重和體積太大，大功率直流電機(jī)造價(jià)高等等。這些缺點(diǎn)制約了直流電機(jī)在現(xiàn)代電動(dòng)汽車上的應(yīng)用。

（2）交流異步電機(jī)也是較成熟的一種電機(jī)，它采用V/F控制、矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等控制方法，技術(shù)成熟，同時(shí)感應(yīng)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低、具有較高的能量密度，并且在運(yùn)行過程中轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小，調(diào)速范圍大，因此美國(guó)、歐洲研制的電動(dòng)汽車多采用感應(yīng)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，比如福特汽車旗下的Fusion電動(dòng)汽車采用了60KW的異步電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)設(shè)備。

（3）開關(guān)磁阻電機(jī)是一種新型的電機(jī)，它用作電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)非常有優(yōu)勢(shì)。電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和控制技術(shù)易于實(shí)現(xiàn)，可靠性高，效率高，成本較低;同時(shí)它的缺點(diǎn)也是不可忽視的，開關(guān)磁阻電機(jī)的運(yùn)行噪聲大，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)嚴(yán)重。因此，開關(guān)磁阻電機(jī)基本停留在應(yīng)用研究階段，臺(tái)灣海灣超能源科技股份有限公司研發(fā)的膠體蓄電池電動(dòng)汽車裝配的是由山東德森機(jī)電科技股份有限公司研制的開關(guān)磁阻電機(jī)。

3新能源汽車的電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)

新能源汽車在實(shí)際的應(yīng)用中，具有環(huán)保效果好、使用壽命長(zhǎng)、安全性高等特點(diǎn)，受到了駕駛者的廣泛歡迎。但是，由于現(xiàn)階段的部分技術(shù)還未達(dá)到較高的水平，多數(shù)的新能源汽車，主要采用的是混合動(dòng)力來完成行駛的。在新能源汽車中，電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)，作為新能源汽車的核心部分，其造成的積極影響是非常大的。在此，本文主要對(duì)新能源汽車的電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)進(jìn)行論述。

3.1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制

新能源汽車的研究與應(yīng)用，成為了當(dāng)前社會(huì)上的主要工作。從客觀的角度來分析，新能源汽車在小范圍投入后，取得了較為理想的效果，并且在很大程度上，減少了對(duì)能源的耗費(fèi)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)，要想在新能源汽車中發(fā)揮出更加積極的作用，需要選擇性價(jià)比較高的電動(dòng)機(jī)。結(jié)合以往的工作經(jīng)驗(yàn)和當(dāng)下的工作標(biāo)準(zhǔn)，電動(dòng)機(jī)的選型原則，集中在以下幾個(gè)方面：

（1）高性能、低自重、小尺寸。現(xiàn)階段的任何一項(xiàng)設(shè)備，都在朝著“高精尖”的領(lǐng)域發(fā)展。電動(dòng)機(jī)作為新能源汽車的重要組成部分，應(yīng)在性能上達(dá)到較高的指標(biāo)，自重應(yīng)逐步減小，并且減小自身的尺寸，保證其他設(shè)備擁有足夠的空間。

（2）在較寬的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)有較高的效率。

（3）電磁輻射盡量小。新能源汽車不僅僅是強(qiáng)調(diào)動(dòng)力的污染，還不能造成太多的電磁輻射，否則將會(huì)造成運(yùn)行的惡性循環(huán)。

（4）成本低。以目前的情況來看，上述的幾項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，電動(dòng)機(jī)還是能夠達(dá)到的。現(xiàn)今，關(guān)于電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)的研究不斷深入，因此在滿足電動(dòng)機(jī)選型原則的基礎(chǔ)上，還要考慮其他控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，爭(zhēng)取實(shí)現(xiàn)雙向控制，回收制動(dòng)再生能量。

3.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器

在新能源汽車的研究和應(yīng)用中，電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器是相關(guān)技術(shù)的核心部分。目前，新能源汽車，主要使用的是永磁同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，來完成電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器的相關(guān)技術(shù)實(shí)施的。永磁同步電動(dòng)機(jī)定子三相繞組通入互差120°的三相正弦電流，在氣隙中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng);而轉(zhuǎn)子磁極為稀土永磁體，在氣隙中產(chǎn)生正弦磁場(chǎng)，并且固定于轉(zhuǎn)子位置，因此矢量控制中的同步旋轉(zhuǎn)軸系與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸系重合，用dq坐標(biāo)系表示。定子磁勢(shì)Fs沿旋轉(zhuǎn)方向超前轉(zhuǎn)子磁勢(shì)Fr，旋轉(zhuǎn)的定子磁勢(shì)與轉(zhuǎn)子磁勢(shì)相互作用，吸引轉(zhuǎn)子磁勢(shì)旋轉(zhuǎn)，即驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子與之同步旋轉(zhuǎn)。同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩角δ（定子電樞磁勢(shì)和轉(zhuǎn)子勵(lì)磁磁勢(shì)間的夾角）隨負(fù)載變化，計(jì)算并保持δ=90°就可以和無補(bǔ)償繞組的直流電動(dòng)機(jī)一樣，基本實(shí)現(xiàn)解耦控制，即轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的矢量控制。根據(jù)檢測(cè)的位置信號(hào)控制定子各相繞組電流，即可充分保持其定、轉(zhuǎn)子磁勢(shì)正交。

4電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)類型

在新能源電動(dòng)車中，電機(jī)往往被安裝在比較小的空間里。與傳統(tǒng)的電車驅(qū)動(dòng)相比較起來，工作環(huán)境相對(duì)惡劣，灰塵多、腐蝕嚴(yán)重。固此，新能源電動(dòng)車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)應(yīng)該有這些要求：體積小、重量輕。有低速大扭矩和寬范圍內(nèi)高速功率的特性。可靠性高。電機(jī)需要寬調(diào)速、可控性高、價(jià)格合適、安裝空間小等特點(diǎn)。系能源電動(dòng)車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)的發(fā)展離不開電機(jī)設(shè)計(jì)、制造技術(shù)以及電力電子元器件技術(shù)等。到如今的三大電機(jī)系統(tǒng)：

永磁同步電機(jī)系統(tǒng)：永磁同步電機(jī)及其控制器組成了永磁同步電機(jī)系統(tǒng)。永磁電機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用了高磁能積和稀土燒結(jié)鐵硼等的永磁材料。稀土燒結(jié)鐵硼充磁以后不再需要增加能量也能建立很強(qiáng)的永久磁場(chǎng)。可以用來代替?zhèn)鹘y(tǒng)電機(jī)的電勵(lì)磁場(chǎng)。并且效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠等的優(yōu)點(diǎn)。永磁同步電機(jī)控制器通過其中的電力電子器件將電動(dòng)車的直流電逆變?yōu)榻涣麟姡疫€進(jìn)行電流大小、波形以及相位的控制。進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制，使電機(jī)能夠按照它的指令運(yùn)轉(zhuǎn)。在轉(zhuǎn)向不改變的條件下，只要改變控制器的導(dǎo)通順序，電機(jī)就能就能夠在電動(dòng)狀態(tài)和發(fā)電狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換。由電動(dòng)變發(fā)電的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生反向的一個(gè)轉(zhuǎn)矩，能夠起到一個(gè)制動(dòng)的效果。永磁同步電機(jī)系統(tǒng)取消了傳統(tǒng)的電刷、滑環(huán)。所以也稱作永磁無刷電機(jī)。另外其也有方波和正弦波的區(qū)分，這種區(qū)分方式是通過電流方式區(qū)別的。永磁同步電機(jī)是當(dāng)前新能源電動(dòng)車最普遍采用的驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)之一。并且永磁機(jī)是它的未來的發(fā)展的一個(gè)方向。永磁同步電機(jī)的高功率密度、高效率的特點(diǎn)是優(yōu)點(diǎn)之一。“同步電機(jī)”言外之意是電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速相同的交流電機(jī)。目前，永磁同步電機(jī)-磁阻電機(jī)是一種將永磁電機(jī)和磁阻電機(jī)結(jié)合起來的新型的電機(jī)復(fù)合結(jié)構(gòu)。它不但繼承了永磁電機(jī)的高轉(zhuǎn)矩密度，也繼承了磁阻電機(jī)的寬泛的恒功率調(diào)速。所以它具有弱磁容易，調(diào)速范圍寬，效率和力矩都是比較高。國(guó)內(nèi)的大多數(shù)的新能源汽車廠都在往這個(gè)方向在發(fā)展。

5總結(jié)

新能源汽車是現(xiàn)階段推廣較多的一種汽車類型。從嚴(yán)格的意義上來講，新能源汽車不斷的減少汽油等不可再生能源的應(yīng)用，逐步應(yīng)用天然氣、太陽能等作為動(dòng)力，以此來實(shí)現(xiàn)零污染和零排放，既減少了客觀上的環(huán)境污染，又滿足了日常的駕駛需求。但是，由于新能源汽車的部分技術(shù)還不是很成熟，因此在目前的多數(shù)新能源汽車，仍然會(huì)小部分的應(yīng)用汽油，但電氣驅(qū)動(dòng)的控制技術(shù)作為新能源汽車的核心技術(shù)是發(fā)展的必然趨勢(shì)，所以值得我們進(jìn)一步深入研究。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙亮.BYD公司新能源汽車發(fā)展戰(zhàn)略研究[D].山東大學(xué)，2013

[2]管良勇.基于DSP的永磁同步電機(jī)新型矢量控制技術(shù)研究[D].東北大學(xué)，2009

[3]王兆安，劉進(jìn)軍.電力電子技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009

[4]賀兆順.新能源汽車的上海試驗(yàn)[J]中國(guó)經(jīng)濟(jì)周刊，2013（2）：20―23