新能源汽車(chē)電機(jī)控制技術(shù)及其性能優(yōu)化策略

關(guān)鍵詞：新能源汽車(chē)；電機(jī)控制技術(shù)；性能優(yōu)化

0 前言

目前，隨著能源和環(huán)境問(wèn)題的日趨嚴(yán)重，人們對(duì)能源的需求量也在不斷增加，而由于過(guò)度使用能源導(dǎo)致的資源枯竭、環(huán)境污染等問(wèn)題也在不斷加劇。在傳統(tǒng)能源到新能源的轉(zhuǎn)變過(guò)程中，新能源汽車(chē)已經(jīng)成為國(guó)家戰(zhàn)略新興行業(yè)中的一個(gè)重要方向。因此，發(fā)展新能源汽車(chē)，能夠?qū)κ袌?chǎng)起到很好的導(dǎo)向和示范作用，其完全可以做到“零污染”，不會(huì)排放任何大氣有害氣體，可以有效解決燃油汽車(chē)所產(chǎn)生的一系列問(wèn)題。

1 發(fā)展新能源汽車(chē)的意義

在汽車(chē)制造業(yè)領(lǐng)域，大力發(fā)展新能源汽車(chē)，是我國(guó)走向“汽車(chē)大國(guó)”的關(guān)鍵步驟。自“十城千輛”計(jì)劃開(kāi)始到現(xiàn)在已有十多年時(shí)間，該工程為新能源汽車(chē)的市場(chǎng)應(yīng)用開(kāi)了個(gè)好頭，也取得了顯著的成果。在市場(chǎng)規(guī)模方面，中國(guó)已成為世界上最大的新能源汽車(chē)市場(chǎng)，據(jù)2023 年中國(guó)電動(dòng)汽車(chē)百人會(huì)論壇統(tǒng)計(jì)，在國(guó)內(nèi)政策的扶持下，新能源汽車(chē)的累計(jì)銷(xiāo)量突破了688.7 萬(wàn)輛，占到了全球銷(xiāo)量的61.2%。汽車(chē)產(chǎn)業(yè)已成為我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的中流砥柱，關(guān)系到國(guó)家經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展，而新能源汽車(chē)作為一種新型的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)，其發(fā)展對(duì)于促進(jìn)國(guó)家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有重要意義。

2 新能源汽車(chē)電機(jī)控制技術(shù)

2. 1 新能源汽車(chē)電機(jī)的基本特征

電機(jī)是一種可以在電能和機(jī)械能之間雙向轉(zhuǎn)化的功率元件。電機(jī)在將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能時(shí)，可以呈現(xiàn)出電動(dòng)機(jī)的工作特征；在把機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能時(shí)，則表現(xiàn)出類似于發(fā)電機(jī)的工作特征。

如上所述，電機(jī)一般具備電動(dòng)、發(fā)電2 種功率特性，可分為直流電機(jī)、開(kāi)關(guān)型磁阻調(diào)速電機(jī)和交流異步感應(yīng)電機(jī)等。電機(jī)通過(guò)電磁感應(yīng)原理來(lái)完成運(yùn)動(dòng)軌跡，是一種能夠?qū)崿F(xiàn)電能與機(jī)械能雙向轉(zhuǎn)化的電磁旋轉(zhuǎn)裝置，這一技術(shù)原理在新能源純電動(dòng)汽車(chē)上體現(xiàn)尤為明顯，能夠有效減少能量損耗。本文主要以直流電機(jī)、開(kāi)關(guān)型磁阻調(diào)速電機(jī)和交流異步感應(yīng)電機(jī)的控制技術(shù)進(jìn)行闡述，以期為新能源汽車(chē)的性能優(yōu)化提供參考。

2. 2 直流電機(jī)

在前期開(kāi)發(fā)的新能源純電動(dòng)汽車(chē)中，直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)是一種常見(jiàn)技術(shù)。在晶閘管沒(méi)有被應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)之前，電動(dòng)汽車(chē)的轉(zhuǎn)速是由相應(yīng)的機(jī)械開(kāi)關(guān)來(lái)調(diào)節(jié)的，并由電池的數(shù)量來(lái)調(diào)節(jié)電機(jī)的電樞電壓，從而調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。因此，在大功率、高要求的自控系統(tǒng)中，普遍采用直流電機(jī)。

直流電機(jī)可分為有刷直流電機(jī)和無(wú)刷直流電機(jī)。有刷直流電機(jī)開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通和關(guān)斷電路如圖1所示，其中開(kāi)關(guān)SW1 可以被1 個(gè)晶體管所取代。眾所周知，直流電機(jī)內(nèi)部線圈主要可以被劃分為勵(lì)磁線圈和電樞線圈，這2 種線圈的供電電源不會(huì)互相干擾，所以改變直流電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向（以下簡(jiǎn)稱“ 轉(zhuǎn)向”）的方法也可分為2 種：第1 種是勵(lì)磁繞組反接法，這種方法主要是保持電樞繞組段的電壓極性不會(huì)受到外部因素影響，通過(guò)改變電壓極性來(lái)使電機(jī)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向；第2 種是電樞反接法，這種方法主要是保持勵(lì)磁繞組端的電壓極性不發(fā)生異變，通過(guò)改變電樞繞組端的電壓極性來(lái)使電機(jī)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。2 種方法都能夠避免直流電機(jī)在轉(zhuǎn)向過(guò)程中出現(xiàn)表面火花現(xiàn)象，讓直流電機(jī)能夠在高載荷條件下，根據(jù)要求靈活地改變電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。但由于直流電機(jī)的工作效率并不高，其內(nèi)置的整流子、電容膜及相關(guān)部件需要經(jīng)常進(jìn)行保養(yǎng)和維護(hù)，這在無(wú)形之中增加了運(yùn)行成本，因此也制約了新能源純電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)航能力和性能表現(xiàn)。

2. 3 開(kāi)關(guān)型磁阻調(diào)速電機(jī)

開(kāi)關(guān)型磁阻調(diào)速電機(jī)作為一種新型調(diào)速電機(jī)（如圖2 所示），其最大的特征是效率可達(dá)90% 以上，轉(zhuǎn)速可達(dá)15 000 r/min。開(kāi)關(guān)型磁阻調(diào)速電機(jī)具有優(yōu)良的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性，能夠擴(kuò)大電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速范圍，以滿足車(chē)輛牽引與變速的需求，并在短期內(nèi)達(dá)到高動(dòng)力輸出并保持穩(wěn)定性。但是，開(kāi)關(guān)型磁阻調(diào)速電機(jī)存在轉(zhuǎn)矩波動(dòng)幅度過(guò)大的缺點(diǎn)，而且控制系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜，因此其應(yīng)用受到限制，需要具有更高的總體設(shè)計(jì)調(diào)整能力和相應(yīng)的控制精度才能適配。

2. 4 交流異步感應(yīng)電機(jī)

交流異步感應(yīng)電機(jī)的內(nèi)轉(zhuǎn)子多為鼠籠型，在其運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，無(wú)論采用直接轉(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)行精確定位。

將交流異步感應(yīng)電機(jī)應(yīng)用于新能源純電動(dòng)汽車(chē)是技術(shù)上的重大突破，也是提升整車(chē)操控性能、動(dòng)力性能和安全性能的重要途徑［1］。但由于交流異步感應(yīng)電機(jī)在應(yīng)用過(guò)程中極易產(chǎn)生高溫，相線容易發(fā)生開(kāi)路或熔絲現(xiàn)象，此時(shí)電機(jī)會(huì)發(fā)出“嗡嗡”的高頻噪聲，在極端情況下甚至?xí)l(fā)生線路熔斷故障，會(huì)影響新能源純電動(dòng)汽車(chē)的正常行駛。

3 新能源汽車(chē)的應(yīng)用現(xiàn)狀

3. 1 技術(shù)研發(fā)成本較高

高科技企業(yè)的研發(fā)費(fèi)用預(yù)算是非常明確的，在進(jìn)行新技術(shù)的研發(fā)過(guò)程中，很多環(huán)節(jié)都需要投入大量資金。由于我國(guó)的汽車(chē)工業(yè)尚處于發(fā)展階段，因此國(guó)家相關(guān)新能源汽車(chē)補(bǔ)貼政策，需要更多考慮向研發(fā)環(huán)節(jié)傾斜，將政策扶持的效果體現(xiàn)在研發(fā)成果上。

3. 2 技術(shù)研發(fā)力度不夠

中國(guó)汽車(chē)工業(yè)協(xié)會(huì)技術(shù)部長(zhǎng)提出，通過(guò)國(guó)內(nèi)新能源汽車(chē)行業(yè)的調(diào)查分析，發(fā)現(xiàn)與國(guó)外龍頭企業(yè)的發(fā)展勢(shì)頭相比，國(guó)內(nèi)新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的核心技術(shù)仍然需要攻堅(jiān)克難，需要加強(qiáng)技術(shù)方面的管控與研究；新能源純電動(dòng)汽車(chē)的核心部件存在著“卡脖子”的問(wèn)題，需要加強(qiáng)對(duì)長(zhǎng)壽命動(dòng)力電池、高比能量電池的技術(shù)研發(fā)力度。

3. 3 動(dòng)力電池技術(shù)相對(duì)落后

目前，我國(guó)國(guó)產(chǎn)動(dòng)力電池的技術(shù)相對(duì)落后，與國(guó)外動(dòng)力電池產(chǎn)品相比，國(guó)產(chǎn)動(dòng)力電池的質(zhì)量和性能還有待提高。若新能源汽車(chē)動(dòng)力電池技術(shù)被國(guó)外公司壟斷，那么國(guó)內(nèi)新能源汽車(chē)公司將很有可能走上傳統(tǒng)燃油汽車(chē)“核心技術(shù)空心化”的道路，從而制約國(guó)產(chǎn)新能源汽車(chē)的發(fā)展。

4 新能源汽車(chē)電機(jī)的優(yōu)化策略

在性能優(yōu)化方面，作為核心部件，新能源汽車(chē)電機(jī)的優(yōu)化至關(guān)重要。加強(qiáng)對(duì)新能源汽車(chē)電機(jī)技術(shù)的研發(fā)，就必須綜合各類電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)國(guó)內(nèi)電機(jī)研發(fā)資源進(jìn)行整合，不斷地突破技術(shù)桎梏，提高新產(chǎn)品研發(fā)能力，以進(jìn)一步滿足整車(chē)性能需求。

4. 1 直流電機(jī)技術(shù)優(yōu)化

直流電機(jī)可通過(guò)控制直流電機(jī)速度和簡(jiǎn)化直流電機(jī)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的優(yōu)化。

（1） 無(wú)級(jí)變速優(yōu)化。當(dāng)電流由動(dòng)力電池側(cè)流出，可以利用直流母線電容來(lái)減少諧波電流，然后再控制絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）的開(kāi)關(guān)和其他控制單元的配合，將直流電最終逆變成交流電，并作為電機(jī)的輸入電流。通過(guò)串聯(lián)電阻器或改變電機(jī)繞組的匝數(shù)，可以對(duì)電機(jī)進(jìn)行速度調(diào)整，利用恒定的電機(jī)端部電壓和恒定的電流，可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的無(wú)級(jí)變速。

（2） 電機(jī)電路優(yōu)化。在電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，需要通過(guò)接觸器來(lái)改變電機(jī)的電樞或磁場(chǎng)的電流方向，從而達(dá)到轉(zhuǎn)子持續(xù)旋轉(zhuǎn)的目的。在交流感應(yīng)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，通過(guò)改變?nèi)嚯娏髟诖艌?chǎng)中的相序，可以達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向的目的。

4. 2 開(kāi)關(guān)型磁阻調(diào)速電機(jī)技術(shù)優(yōu)化

開(kāi)關(guān)型磁阻調(diào)速電機(jī)使用的是一種以鐵氧體為主體的永磁材料，它可以通過(guò)調(diào)整相電流的方向來(lái)增強(qiáng)或削弱氣隙磁場(chǎng)。當(dāng)為輔助線圈提供直流電時(shí)，可以顯著提高輸出轉(zhuǎn)矩和效率，消除外加激勵(lì)，拓寬機(jī)組的工作區(qū)間。開(kāi)關(guān)型磁阻調(diào)速電機(jī)主要通過(guò)電機(jī)定子繞線模式，以及定、轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和電磁激勵(lì)模式來(lái)實(shí)現(xiàn)技術(shù)優(yōu)化。

對(duì)于開(kāi)關(guān)型磁阻調(diào)速電機(jī)，尤其是在三相倒串開(kāi)關(guān)型磁阻調(diào)速電機(jī)的單相加載中，可利用有限元法（FEM）計(jì)算獲得自感互感信號(hào)，為開(kāi)關(guān)型磁阻調(diào)速電機(jī)的線圈設(shè)計(jì)提供依據(jù)。以直線異步電機(jī)為例，初級(jí)繞組與交流電源相連時(shí)，在氣隙中會(huì)形成一個(gè)行波磁場(chǎng)，次級(jí)線圈會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)能，與氣隙中的磁場(chǎng)一起形成電磁推力，可進(jìn)一步改善電機(jī)的動(dòng)力性能。

在定、轉(zhuǎn)子系統(tǒng)中，在不同的線圈直徑下所得到的轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速、電流的變化而變化。在此基礎(chǔ)上，提出2 種轉(zhuǎn)子齒輪的設(shè)計(jì)優(yōu)化方案。① 使用開(kāi)關(guān)型磁阻調(diào)速電機(jī)時(shí)，可以使用直接齒輪傳動(dòng)來(lái)轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)子。這種方案簡(jiǎn)單可靠，適用于轉(zhuǎn)速要求不高的場(chǎng)合。需要注意的是，齒輪的材質(zhì)應(yīng)該選用較硬的金屬材料，耐磨性好，以保證系統(tǒng)的壽命。② 采用間接齒輪傳動(dòng)，該方案中間可以添加1 組減速器，以實(shí)現(xiàn)更高的轉(zhuǎn)速變換，適合轉(zhuǎn)速要求較高的場(chǎng)合。在此設(shè)計(jì)中需要注意的是，應(yīng)使用高品質(zhì)的軸承和齒輪，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和壽命。此外，在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中還應(yīng)考慮系統(tǒng)的定位和配重等問(wèn)題。在不改變轉(zhuǎn)子位置的情況下，磁場(chǎng)密度的徑向和切向都可以引起正向力波與切向力波的變化。通過(guò)對(duì)開(kāi)關(guān)型磁阻調(diào)速電機(jī)進(jìn)行靜態(tài)有限元計(jì)算，優(yōu)化旋轉(zhuǎn)電磁力矩，在同樣的線圈繞組和線圈直徑下，可有效降低開(kāi)關(guān)型磁阻調(diào)速電機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。

4. 3 交流異步感應(yīng)電機(jī)技術(shù)優(yōu)化

交流異步感應(yīng)電機(jī)作為感應(yīng)電機(jī)的一種，可通過(guò)提高系統(tǒng)的最優(yōu)效能及調(diào)節(jié)電機(jī)電壓的方式進(jìn)行優(yōu)化控制。感應(yīng)電機(jī)一般工作在全壓力下，當(dāng)電機(jī)從空負(fù)載到滿負(fù)載時(shí)，其磁場(chǎng)變化很小。若在輕負(fù)載狀態(tài)下，將端壓調(diào)得較低，則可減少定子電流中的無(wú)功輸出，提高系統(tǒng)的恒定功率因數(shù)。

以交流異步感應(yīng)電機(jī)的軟啟動(dòng)為核心，對(duì)其進(jìn)行拓展優(yōu)化。根據(jù)提高恒定功率因數(shù)的原則，在單片機(jī)的功率因數(shù)測(cè)量電路及軟啟動(dòng)裝置的可控硅調(diào)壓電路的幫助下，構(gòu)建感應(yīng)電機(jī)的閉環(huán)控制系統(tǒng)。由于目前交流異步感應(yīng)電機(jī)仍處于非經(jīng)濟(jì)運(yùn)行狀態(tài)，并且大部分電機(jī)采用的是軟啟動(dòng)，極容易對(duì)新能源純電動(dòng)汽車(chē)內(nèi)部的感應(yīng)電機(jī)造成巨大的能量消耗，所以現(xiàn)如今國(guó)內(nèi)外為了能夠彌補(bǔ)這一缺陷，相繼開(kāi)發(fā)了電子式軟啟動(dòng)器，用于交流異步感應(yīng)電機(jī)技術(shù)的啟動(dòng)控制。

新型電子式軟啟動(dòng)器的主回路多數(shù)情況下采用晶閘管調(diào)壓電路，該電路由6 個(gè)晶閘管并聯(lián)組合而成，串聯(lián)于交流異步感應(yīng)電機(jī)的三相供電線路上；當(dāng)電子式軟啟動(dòng)器現(xiàn)有的微機(jī)控制系統(tǒng)接收到啟動(dòng)指令后，就能夠進(jìn)行數(shù)值的計(jì)算，電子式軟啟動(dòng)器的啟動(dòng)容量為電機(jī)額定容量、軟啟動(dòng)器啟動(dòng)電流倍數(shù)和啟動(dòng)功率因數(shù)的乘積。

當(dāng)電子式軟啟動(dòng)器啟動(dòng)完成后，就需要將旁路接觸器吸合，斷路所有的晶閘管，讓交流異步感應(yīng)電機(jī)直接投入使用，減少傳統(tǒng)啟動(dòng)方式造成的電能損耗。在電機(jī)工作時(shí)，電子式軟啟動(dòng)器的晶閘管觸發(fā)角的調(diào)整計(jì)劃必須跟隨功率因數(shù)角的變化而變化，持續(xù)地對(duì)功率因數(shù)角進(jìn)行檢測(cè)，并將檢測(cè)得出的功率因數(shù)角與預(yù)先設(shè)置的功率因數(shù)角進(jìn)行數(shù)值對(duì)比，然后根據(jù)對(duì)比結(jié)果來(lái)調(diào)整電子式軟啟動(dòng)器可控硅的導(dǎo)電角度Φ，當(dāng) cos Φ 很小時(shí)，表示此時(shí)為輕負(fù)載，需要將電機(jī)的端部電壓降到最低；cos Φ 越大，說(shuō)明負(fù)載越大，此時(shí)需要提高電機(jī)的電壓。通過(guò)這種方法可以實(shí)現(xiàn)可控硅輸出電壓的自動(dòng)調(diào)整，從而獲得最優(yōu)的控制效果［2］。

5 結(jié)語(yǔ)

新能源汽車(chē)電機(jī)控制技術(shù)的優(yōu)化與創(chuàng)新已成為全世界新能源汽車(chē)研發(fā)人員都在研究和關(guān)注的重要方向，電機(jī)控制技術(shù)的設(shè)計(jì)優(yōu)化有利于新能源汽車(chē)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。同時(shí)，電機(jī)控制技術(shù)的優(yōu)化和創(chuàng)新，不僅能夠提高新能源汽車(chē)的性能和可靠性，還能夠推動(dòng)整個(gè)行業(yè)的技術(shù)發(fā)展。毫無(wú)疑問(wèn)，未來(lái)的新能源汽車(chē)市場(chǎng)將會(huì)越來(lái)越廣闊，競(jìng)爭(zhēng)會(huì)越來(lái)越激烈，只有不斷對(duì)電機(jī)控制技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化提高，不斷地為新能源汽車(chē)發(fā)展提供技術(shù)支持，才能在市場(chǎng)上有更強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力，獲得更大的效益。