新能源汽車電機控制技術及其性能優化策略探索

潘彥宇

摘 要：隨著社會對于環境保護的重視與新能源汽車技術發展，使得新能源汽車成為了全球汽車產業中的熱點話題。在新能源汽車中，電機控制技術是關鍵的核心技術之一，對于提升車輛性能、延長續航里程以及實現智能化駕駛都具有重要意義。因此對新能源汽車電機控制技術及其性能優化策略進行分析，旨在為推動新能源汽車行業轉型與升級提供一定的參考借鑒。

關鍵詞：新能源汽車 電機控制技術 性能優化 策略

1 引言

目前，隨著能源與環境問題日趨嚴重，人們對于新能源汽車的關注普遍提高。與之同時發生的還有能源消耗與浪費、環境污染問題等，交替挑撥著社會群眾的神經。也就是說，傳統能源到新能源的變革是未來的重要趨勢，不但要從國家政策層面逐漸滲透和引導，也要從日常生活與學習、工作中重視起來。研究新能源汽車電機控制技術及其性能優化策略，可以更好地落實節能減排、“零污染”等，值得深入研究與實踐。

2 新能源汽車電機控制技術概述

2.1 傳統汽車電機控制技術回顧

在過去，汽車電機控制技術表現為在燃油車型中使用電機控制系統，主要采用直流電機和傳統的電機控制方法，如PWM（脈寬調制）控制、電流反饋控制等，相對簡單且成熟，但在能源利用效率和環境友好性方面存在一定局限性[1]。隨著新能源汽車的快速發展，為了提高電動驅動系統的性能和效率，新能源汽車電機控制技術得到了廣泛關注與研究。

2.2 新能源汽車電機控制技術發展概況

新能源汽車電機控制技術是近年來快速發展的新興技術，可以概括為以下幾個方面：第一，隨著功率電子器件的不斷進步，如高性能的IGBT模塊、SiC器件等的應用，提高了電機驅動系統的效率和可靠性[2]；第二，隨著控制算法的不斷優化，如矢量控制、無傳感器控制等，使得電機控制更加精確和靈活；第三，智能化技術的引入，如人工智能、大數據分析等，為電機控制系統提供了更多智能選擇。正也因此，為滿足高效率、高可靠性和高性能要求，電機控制系統的智能化和自適應性也是未來發展的重要方向[3]。

3 新能源汽車電機控制技術分析

3.1 直流電機控制技術

直流電機控制技術是新能源汽車電機控制領域的一個重要分支，其核心在于對直流電機的轉速、轉矩進行精確控制。通常采用PWM技術進行控制，通過改變占空比實現對電機的轉速調節[4]。除此之外，還可以通過改變電機的電極極數來實現轉速調節，同時多種傳感器也被廣泛應用于直流電機控制中，例如霍爾傳感器、編碼器等。由于直流電機具有結構簡單、轉速范圍廣、響應速度快等特點，在新能源汽車領域得到了廣泛應用。

3.2 永磁同步電機控制技術

永磁同步電機控制技術利用永磁體產生的磁場相互作用，實現電機的控制和驅動。在位置控制方面，通過采集電機的位置信息，利用閉環控制算法精確控制電機的旋轉角度。而在轉速控制方面，通過調節電機的電壓和電流，實現對電機轉速的精確控制。為了實現更高的動態性能和控制精度，永磁同步電機的控制技術還可以結合磁場定向控制和空間矢量調制等先進技術，實現磁場與電流的精確匹配，提高電機的效率和響應速度，進一步優化電機的輸出特性，降低電機的諧波失真。通過精確的位置控制和轉速控制，結合先進的控制算法，實現高效率、高性能的電機驅動系統。

3.3 感應電機控制技術

感應電機控制技術也是新能源汽車中常用的電機驅動技術之一，使用感應電機作為動力傳動裝置，通過控制電機的轉速、扭矩等參數，實現對整車的控制。相比于其他兩種電機控制技術，感應電機控制技術具有成本低、體積小、維護簡單等優點，因此在新能源汽車領域應用廣泛。同時，感應電機控制技術還可以實現電機的高效工作，提高整車的續航里程和行駛穩定性，有著較好的應用前景。

4 新能源汽車電機控制性能優化策略分析

4.1 效率優化策略

4.1.1 車速控制策略

為了調整保證電機性能水平，可以采取車速的閉環控制方法，通過實時監測車輛的速度并與預設值進行比較，從而調整電機控制參數，使車速能夠穩定在目標數值附近。這樣可以有效減少能量浪費和電機損耗，提高整車能效。接著，針對車速控制策略優化，可以采用動態調節方式。即根據不同的駕駛工況和路況，調整電機的輸出轉矩、功率等。如，在起步和加速時，適當增大電機的輸出轉矩，以提供更高的動力；而在勻速行駛時，減小輸出轉矩，以降低功耗和噪音。通過動態調節車速控制，可以使電機工作在最佳點，提高整車能效和駕駛穩定性。此外，還可以通過優化電機控制算法來進行車速控制。傳統的電機控制算法PID在一定程度上存在響應速度慢、魯棒性差等問題。因此，可以采用先進的控制算法，如模型預測控制（MPC）或者基于人工智能的控制方法，來實現更精確的車速控制，根據電機和整車的動態特性，進行在線優化和自適應調節，以實現更高的控制精度和穩定性[5]。當然，也需要考慮電機系統的整合和優化。如，在電機設計階段，選擇具有較高效率和較低損耗的電機結構，以提高能量利用率和熱管理能力。另外，優化電機控制器的硬件和軟件設計，提高控制精度和響應速度。結合車輛動力學特性和驅動需求，進行整車級的協同控制，以最大限度地發揮電機的性能優勢。總之，通過以上車速控制方法，可以調整保證電機控制性能水平，進一步提高新能源汽車的整車性能。

4.1.2 轉矩控制策略

在轉矩控制中，有幾個重要方面需要考慮和調整，以確保電機控制性能水平提高。首先，在不同工況下，對電機轉矩的需求是不同的。因此，需要根據車輛的加速、行駛速度、坡度等因素，動態地調整電機的轉矩輸出，可以最大程度地提高電機的工作效率。其次，電機在不同轉速和負載下的效率是變化的，因此需要選擇適當的轉矩控制方式。在低速低負載情況下，可以采用高效率運行方式，提高電機的效率；而在高速高負載情況下，可以采用高功率運行方式，以獲得更大的輸出轉矩[6]。此外，電機在工作過程中會產生一定的熱量，如果不能及時有效地進行散熱，會導致電機溫度升高，影響性能和壽命。因此，在轉矩控制過程中，需要根據電機的熱特性和工作條件，合理調整控制確保電機的溫度在可接受范圍內。可以采用智能散熱系統、風扇控制等方式，實時監測電機溫度并進行有效控制，以保證電機的穩定工作和長壽命。最后，在制動或減速過程中，通過逆變器對電機施加逆向轉矩，可以將動能轉化為電能并存儲到電池中，以達到能量回收的目的。因此，在轉矩控制過程中，需要設計合適的能量回收策略，以最大程度地利用制動能量，提高整車能效。綜上，合理調整電機轉矩控制，將進一步提高整車的效率和性能，為用戶提供更好的駕駛體驗，并推動新能源汽車發展普及。

4.2 能量回收優化策略

4.2.1 制動能量回收控制

制動能量回收可以將制動過程中消耗的動能轉化為電能，進而儲存在電池中，以便在需要時使用。不僅可以提高能源利用率，減少對傳統燃油的依賴，還可以降低車輛污染和噪音。在制動能量回收控制方面，主要有兩個關鍵點：一是確定回收的能量大小；二是確定回收的時機[7]。對于第一個點，能量回收的大小應該根據實際情況進行調整。如果回收的能量太小，那么就不能充分利用制動時產生的動能；如果回收的能量太大，那么就可能會出現過度充電等問題[8]。因此，需要根據車速、制動力度等因素來進行調整。通常情況下，能量回收的大小可以通過變換制動器的電流來實現。對于第二個點，確定回收的時機也很重要。如果回收的時機太早，那么就會影響制動效果；如果回收的時機太晚，那么就會浪費一部分能量。因此，需要根據車速、制動距離等因素來判斷何時開始回收能量。通常情況下，當車速降低到一定程度時，就可以開始回收能量了。另外，為了保證安全，制動系統應該具備一定的余量。也就是說，在制動過程中，如果回收的能量已經達到了上限，但是仍然需要繼續制動，那么就應該通過摩擦制動來進行補償，以達到最優的效果。

4.2.2 減阻能量回收控制

減阻能量回收控制是在新能源汽車行駛過程中，通過控制電機的工作方式和轉矩輸出來降低車輛的阻力，從而達到能量回收的目的，可以有效地提高汽車的能源利用效率，延長電池組的壽命，同時也能夠減少對環境的污染，具有十分重要的意義。減阻能量回收控制的實現需要綜合考慮多個因素，包括路況、行駛速度、車輛質量等。在具體操作時，需要通過電機控制系統來對電機的輸出進行調節，以達到降低阻力、回收能量的效果。具體來說當車輛處于慣性滑行狀態時，需要通過控制電機反轉，使其產生逆向轉矩，從而減少車輛的阻力，此時電機會產生電能并回饋到電池中，實現能量回收。在車輛行駛過程中，通過控制電機的轉速和轉矩輸出來降低車輛的阻力，減少能量的消耗，如在下坡行駛或減速過程中，將電機轉為發電狀態，將動能轉化為電能儲存到電池中；通過調整電機的輸出，使其產生適當的轉矩輸出，從而減少摩擦阻力和空氣阻力，降低車輛的能量消耗，實現能量回收；通過對車輛行駛路線、路況等因素進行預測，并結合實時數據，實現對電機工作狀態的智能調節，從而最大化能源回收效果[9]。

4.3 動力性能優化策略

4.3.1 加速性能優化控制

為了實現加速性能的優化，需要對電機控制系統進行參數調整和算法優化。其中，關鍵的參數包括電機控制器的電流、電壓和轉矩等設置，以及電機控制算法中的PID參數等[10]。通過合理調整這些參數，可以使電機在加速過程中輸出更大的功率和轉矩，從而提高加速性能。在此基礎上，加速性能優化還需要考慮電池管理系統（BMS）的參與，根據電池的狀態和性能特點，動態調整電池的輸出功率，以滿足加速時的需求[11]。如，在電池容量充足的情況下，BMS可以提供更高的放電功率，從而增加電機的輸出功率，提高加速性能。另外，為了進一步提升加速性能，可以采用電機控制器的場勵磁控制策略。通過調整電機控制器的場勵磁參數，改變磁場分布，進而增加電機的轉矩輸出。這在高速加速時尤為有效，可以顯著提升車輛的加速性能。此外，電機控制系統應與車輛的傳動系統、驅動模式等相匹配，以確保能夠充分發揮電機的動力輸出，還可以通過優化車輛的質量分布、降低空氣阻力等措施來提升整車的加速性能，為用戶提供更好的駕駛體驗[12]。

4.3.2 負載適應性優化控制

負載適應性優化控制是根據當前負載情況，對電機控制策略進行調整，以提高車輛的能效和動力性能。具體來說，可以采用電機參數在線調整、閉環控制算法優化等方法，實現在不同負載下電機的最佳工作狀態。同時，還可以優化車輛的傳動系統，通過改變齒比、變速器等方式，使得電機在不同負載下都能夠始終處于高效工作狀態，從而充分發揮電機的動力性能。此外，還可以利用智能控制算法，對車輛行駛過程中的負載進行實時監測和分析，以便更好地適應負載變化，提高電機控制的精度和穩定性。總之，負載適應性優化控制是新能源汽車電機控制中至關重要的一環，能夠有效提高車輛的動力性能和能效表現。

5 結束語

總而言之，新能源汽車電機控制技術的研究具有深遠影響，經研究總結電機控制技術在新能源汽車領域不斷創新進步。尤其在直流電機技術優化、開關型磁阻調速電機技術優化、交流異步感應電機技術優化等方面下功夫，將有效增強新能源汽車性能素質。具體還有效率優化策略、能量回收優化策略和動力性能優化策略等，通過不同程度的調整將進一步提高電機系統效率、延長續航里程。然而，盡管新能源汽車電機控制技術已取得顯著進展，但仍面臨一些挑戰，如高成本、儲能技術不足和電機控制算法復雜等，需要進一步研究探索。

參考文獻：

[1]李耀華，蘇錦仕，秦輝等.表貼式永磁同步電機多步預測控制簡化算法[J].電機與控制學報，2022，26（11）：122-131.

[2]湯思佳.移動互聯時代《新能源汽車電機與控制技術》課程教學研究[J].內燃機與配件，2021，（18）：242-245.

[3]宋昱霖.新能源汽車永磁同步電機驅動控制系統設計[D].中國科學院大學（中國科學院長春光學精密機械與物理研究所），2021.

[4]戴斌.新型電機控制技術用于電動汽車的機遇與挑戰研究[J].機電工程技術，2021，50（01）：25-26+93.

[5]高文璇.基于滑模觀測和模糊邏輯的永磁同步電機控制技術及應用[D].華南理工大學，2020.

[6]周豪.基于分立式SiC MOSFET的新能源汽車電機控制器研究[D].華南理工大學，2020.

[7]馬鳴威.基于永磁同步電機的新能源汽車控制系統研究[D].長春工業大學，2019.

[8]陳躍.新能源汽車電機驅動系統控制技術分析[J].南方農機，2019，50（09）：235.

[9]李毅拓，雙三相電機控制器SVPWM方法及計算機存儲介質.河南省，河南森源重工有限公司，2019-05-01.

[10]張慶.基于專業教學資源庫的新能源汽車電機與控制技術課程教學設計研究[J].武漢職業技術學院學報，2018，17（05）：67-70.

[11]張云中，袁康寧.新能源汽車企業的專利態勢與發展對策研究——以B企業專利地圖分析為例[J].秘書，2018，（03）：55-63.

[12]周煒.上汽集團新能源汽車研發投入優化研究[D].東華大學，2018.