新能源汽車電動機(jī)驅(qū)動控制技術(shù)研究

摘要：傳統(tǒng)燃油汽車對環(huán)境的負(fù)面影響愈發(fā)明顯，新能源汽車作為可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一，逐漸成為汽車工業(yè)的重要發(fā)展方向。電動機(jī)驅(qū)動控制技術(shù)是新能源汽車技術(shù)體系的核心組成部分，其性能和效率會對整車的動力性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性產(chǎn)生直接影響。隨著電力電子技術(shù)和控制算法的不斷進(jìn)步，電動機(jī)驅(qū)動控制技術(shù)也在迅速發(fā)展。先對電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)展開分析，接著分析了新能源汽車電動機(jī)驅(qū)動控制技術(shù)與系統(tǒng)設(shè)計，旨在提升新能源汽車發(fā)展質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：新能源；汽車；電動機(jī)驅(qū)動控制技術(shù)

隨著全球能源危機(jī)的加劇、環(huán)境污染問題的日益嚴(yán)重，新能源汽車作為汽車工業(yè)轉(zhuǎn)型的重要方向，正在全球范圍內(nèi)得到推廣與應(yīng)用。電動機(jī)驅(qū)動控制技術(shù)作為新能源汽車的核心技術(shù)，會對車輛的動力性能、能效水平、駕駛舒適性及安全性產(chǎn)生直接影響。它主要是將電池儲存的電能高效地轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，驅(qū)動車輛前進(jìn)，并實現(xiàn)能量的高效利用和優(yōu)化管理。對電動機(jī)驅(qū)動控制技術(shù)展開研究，能夠提升新能源汽車的整體性能，推動新能源汽車產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。

新能源汽車電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的工作原理

電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)是復(fù)雜但高效的系統(tǒng)，通過電能與機(jī)械能的轉(zhuǎn)換，為現(xiàn)代工業(yè)和生活提供了強(qiáng)大的動力支持。電池組是新能源汽車的能量來源，通常由多個電池單元組成，通過控制電路向電動機(jī)提供電能的方式提供直流電，為電池的高效、安全運行提供保證。

電動機(jī)是將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的核心部件，能夠?qū)﹄姵亟M提供的直流電進(jìn)行接收，并且經(jīng)由功率電子器件轉(zhuǎn)換為交流電，驅(qū)動電動機(jī)旋轉(zhuǎn)。電動機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩可通過電動機(jī)控制器進(jìn)行調(diào)節(jié)，讓車輛在不同工況下的動力需求得到有效滿足。電控系統(tǒng)負(fù)責(zé)監(jiān)測和控制電池組、電動機(jī)、功率電子器件及車輛的運行狀態(tài)，主要是借助傳感器獲取各種數(shù)據(jù)，并對其進(jìn)行實時分析與決策，對電動機(jī)和功率電子器件的精確控制，實現(xiàn)車輛性能、能效的有效優(yōu)化[1]。

新能源汽車電動機(jī)驅(qū)動控制技術(shù)

1.直流電動機(jī)

該電動機(jī)結(jié)構(gòu)相對簡單，易于維護(hù)和修理，廣泛應(yīng)用于早期的電動汽車和混合動力汽車中。直流電動機(jī)主要由定子和轉(zhuǎn)子構(gòu)成，利用電勢差的作用力原理，通過改變電勢差或電流方向，實現(xiàn)連續(xù)轉(zhuǎn)動。起動直流電動機(jī)時，具有較大的轉(zhuǎn)矩，適合應(yīng)用在需要高起動轉(zhuǎn)矩當(dāng)中，并且可以在寬廣的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)保持高效運行，適合多種工況。將直流電動機(jī)驅(qū)動技術(shù)用于車輛的動力系統(tǒng)，可顯示出良好應(yīng)用價值。同時，可對電動機(jī)的電流方向進(jìn)行有效控制，實現(xiàn)電池的充電和放電。但早期的直流電動機(jī)技術(shù)效率較低，在高速和復(fù)雜工況下存在一定的安全隱患。將可控整流器與脈寬調(diào)制技術(shù)引入直流電動機(jī)驅(qū)動當(dāng)中，可調(diào)節(jié)效率和駕駛安全性，強(qiáng)化控制精度，減少對電動機(jī)和其他部件的損壞。

2.開關(guān)磁阻電動機(jī)

該電動機(jī)為先進(jìn)的電動機(jī)技術(shù)，具有結(jié)構(gòu)簡單且成本收益高的特點，不僅可以降低制造難度，還可減少維護(hù)成本。開關(guān)磁阻電動機(jī)是以磁場定向控制為基礎(chǔ)，讓轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速得到獨立調(diào)節(jié)，讓電動機(jī)在各種工況下保持理想性能。當(dāng)電動機(jī)具備自動調(diào)速功能、轉(zhuǎn)速達(dá)到15 000r/min、效率超出90%時，可顯示出良好使用性能，為新能源汽車提供強(qiáng)勁的動力輸出和起步爆發(fā)力[2]。但此種高性能電動機(jī)對于配套的控制系統(tǒng)要求較高，需對其展開全面優(yōu)化。

為進(jìn)一步提升電動機(jī)使用性能，還需重點關(guān)注以下內(nèi)容：低速大轉(zhuǎn)矩起動能夠強(qiáng)化電動機(jī)空載起動效果，均勻的定子鐵芯厚度和適當(dāng)?shù)臍庀堕L度利于保持電動機(jī)的動態(tài)平衡，次級漏感系數(shù)的合理選擇能夠降低電動機(jī)損耗，合適的電感值可以讓定/動相位差為π，保持永磁體周圍空間磁場均勻性可避免永磁體的局部損傷。

3.交流異步電動機(jī)

該電動機(jī)憑借結(jié)構(gòu)簡單、體積小、精準(zhǔn)控制及高性能成為最具適用性的技術(shù)之一，主要是通過矢量控制方式對電動機(jī)實施精細(xì)調(diào)節(jié)，提升新能源汽車電動機(jī)系統(tǒng)運行效率與穩(wěn)定性。矢量控制是交流異步電動機(jī)驅(qū)動技術(shù)的核心，主要是對電動機(jī)頻率和電壓展開調(diào)節(jié)，相比傳統(tǒng)的變頻調(diào)速顯示出更高的控制精度與穩(wěn)定性，可通過實時響應(yīng)電動機(jī)運行變化的方式，讓各種工作條件下的電動機(jī)都可保持在穩(wěn)定運行狀態(tài)。矢量控制包括直接矢量控制、間接矢量控制和模型預(yù)測控制等，實際應(yīng)用中需選擇適合的矢量控制算法，并對其參數(shù)與結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，以此滿足新能源汽車電動機(jī)驅(qū)動的高性能要求。

在交流異步電動機(jī)的起動和運行中，軟起動器可對起動時的電流沖擊進(jìn)行有效降低，讓電動機(jī)與控制系統(tǒng)得到保護(hù)，提高功率因數(shù)，降低起動時的能量損耗，讓電動機(jī)在各種運行條件下都能保持高效運行。交流異步電動機(jī)還使用籠型結(jié)構(gòu)內(nèi)部轉(zhuǎn)子，讓電動機(jī)的運行效率得到提升，降低制造成本，讓各種工作需求得到有效滿足。另外，交流異步電動機(jī)具有強(qiáng)大的過載能力，可對汽車起動、加速等高壓階段進(jìn)行有效應(yīng)對，不容易對車輛造成不良影響，強(qiáng)化車輛的可靠性與安全性。

4.永磁同步電動機(jī)

該電動機(jī)憑借高效節(jié)能、輕量化、高可靠性在新能源汽車中具有廣泛應(yīng)用，已經(jīng)成為主流電動機(jī)之一。永磁同步電動機(jī)主要由定子、轉(zhuǎn)子、永磁體和電氣部分組成，其中轉(zhuǎn)子上的永磁體可以產(chǎn)生恒定的磁場，定子繞組通電之后，電流可在繞組中流動，由此產(chǎn)生電磁場。接著，定子電磁場會與轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生磁場相互作用，并且產(chǎn)生力矩，讓轉(zhuǎn)子得到有效驅(qū)動。

將永磁同步電動機(jī)應(yīng)用在電子助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，可在駕駛?cè)宿D(zhuǎn)動方向盤時，由轉(zhuǎn)矩傳感器檢測施加的扭矩，由車速傳感器檢測車輛的行駛速度，并將上述信號發(fā)送到電子控制單元。接著控制單元會結(jié)合接收到的扭矩和車速信號，計算所需的輔助扭矩，并且會生成相應(yīng)的控制指令，驅(qū)動永磁同步電動機(jī)輸出所需扭矩[3]。此外，永磁同步電動機(jī)可通過轉(zhuǎn)向齒輪箱將輸出的扭矩傳遞給轉(zhuǎn)向軸或齒條，進(jìn)而提供輔助轉(zhuǎn)向力。

5.新能源電子回饋

新能源汽車的設(shè)計注重能源循環(huán)利用，可通過能量回收系統(tǒng)和智能能源管理系統(tǒng)，對能源進(jìn)行高效利用。安裝車輛控制系統(tǒng)主要是對專業(yè)線路集成和主控板上的開關(guān)控制進(jìn)行應(yīng)用，對電動機(jī)的起動和加速進(jìn)行精確調(diào)控，進(jìn)而實現(xiàn)能源的精細(xì)化管理。同時，要對各部件之間的協(xié)同作用進(jìn)行關(guān)注，借助高效的信號傳輸實現(xiàn)精準(zhǔn)控制。

在對新能源汽車進(jìn)行控制的過程中，可將真空泵應(yīng)用在制動系統(tǒng)的正常工作當(dāng)中，將冷卻泵應(yīng)用在電動機(jī)溫度的調(diào)節(jié)當(dāng)中，利用上述輔助系統(tǒng)實現(xiàn)動能、溫度的有效管理，讓電動機(jī)處于最佳工作狀態(tài)。為進(jìn)一步提升電動機(jī)驅(qū)動效果，還可將智能充電技術(shù)、自動駕駛與車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用在其中，強(qiáng)化新能源汽車的性能和可靠性。

新能源汽車電動機(jī)驅(qū)動控制系統(tǒng)設(shè)計

1.控制器設(shè)計

電動機(jī)驅(qū)動控制器會對新能源汽車的動力性能、駕駛體驗以及能源效率產(chǎn)生直接影響，需在設(shè)計選型時關(guān)注電動機(jī)轉(zhuǎn)子的位置和轉(zhuǎn)速信息，讓控制器更好地調(diào)節(jié)電動機(jī)的運行狀態(tài)。電動機(jī)驅(qū)動控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

同時，電動機(jī)驅(qū)動控制器需要迅速響應(yīng)并調(diào)整電動機(jī)的輸出，讓車輛安全行駛。在對控制器進(jìn)行設(shè)計時，需選用高性能的傳感器，比如編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器等，強(qiáng)化電動機(jī)控制精度。同時，控制器內(nèi)部需集成先進(jìn)算法，對傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行快速處理和分析，讓電動機(jī)得到平穩(wěn)運行。控制器還需與其他車輛系統(tǒng)結(jié)合在一起，綜合考慮通信接口的標(biāo)準(zhǔn)化、兼容性和安全性，優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸與通信。此外，需設(shè)計有效的散熱系統(tǒng)，讓控制器得到長時間運行或高負(fù)荷工作[4]。

2.電動機(jī)驅(qū)動設(shè)計

電動機(jī)驅(qū)動控制系統(tǒng)的設(shè)計是新能源汽車制造的關(guān)鍵技術(shù)，會對車輛的性能、能效和安全性產(chǎn)生直接影響。新能源汽車常用的電動機(jī)類型包括永磁同步電動機(jī)、交流異步電動機(jī)、開關(guān)磁阻電動機(jī)等，需結(jié)合車輛的具體應(yīng)用場景、功率需求、成本等因素，選擇合適的電動機(jī)驅(qū)動技術(shù)。

同時，要對電動機(jī)驅(qū)動功率的設(shè)計進(jìn)行關(guān)注，為各個模塊之間的協(xié)同配合提供便利。功率驅(qū)動模塊需防止電壓過高損壞電動機(jī)和驅(qū)動器件，防止電流過大導(dǎo)致器件過熱和損壞。還要對電動機(jī)和控制器的溫度進(jìn)行實時監(jiān)測，避免受到過熱影響。此外，還需對電路短路問題進(jìn)行檢測，避免系統(tǒng)崩潰。

3.電源電路設(shè)計

電源電路設(shè)計是一個復(fù)雜且關(guān)鍵的任務(wù)，需綜合考慮多個方面的內(nèi)容，提升系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性、安全性與高效性。設(shè)計電源電路時，需對供電需求進(jìn)行關(guān)注，讓其適應(yīng)不同的工作狀態(tài)和性能需求。對于高壓電源來說，電動機(jī)驅(qū)動電路可直接使用動力電池的高電壓（300～400V），還可利用高效率、高功率密度和高可靠性的DC-DC轉(zhuǎn)換器，將高壓電池電壓轉(zhuǎn)換為低壓。并且要在高壓與低壓部分之間選擇隔離型DC-DC模塊，通過電氣隔離減少高壓對低壓電路的干擾和損害。

對于低壓電源來說，主要可在傳感器、通信模塊等低功耗設(shè)備中供電，通常使用LDO作為電源芯片，將電壓進(jìn)一步穩(wěn)壓到所需的低電壓。若系統(tǒng)中有多個不同的低壓需求，可選擇多路輸出的電源管理芯片，簡化設(shè)計和布局[5]。在電源電路的具體設(shè)計中，還需在電源輸入端添加濾波電容，對輸入電源的噪聲進(jìn)行有效抑制。同時，要對芯片和周圍元件的良好散熱性進(jìn)行關(guān)注，防止過熱導(dǎo)致性能下降或損壞。

結(jié)語

綜上所述，隨著全球能源危機(jī)和環(huán)境污染問題的日益嚴(yán)峻，發(fā)展新能源汽車已成為實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。電動機(jī)驅(qū)動控制系統(tǒng)作為新能源汽車的核心技術(shù)之一，需對其控制算法進(jìn)行開發(fā)，提升電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度和動態(tài)性能，讓整車的加速性能和駕駛體驗得到優(yōu)化。同時，要設(shè)計先進(jìn)的能量管理系統(tǒng)，實現(xiàn)能量的有效消耗，強(qiáng)化能量回收效率。此外，要將人工智能技術(shù)引入其中，對電動機(jī)實施自適應(yīng)控制和智能化管理，為未來智能化新能源汽車的發(fā)展奠定良好基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

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[5] 韓雪峰.新能源汽車中的驅(qū)動電動機(jī)種類及未來發(fā)展趨勢[J].防爆電機(jī)，2024，59（4）：98-102.