新能源汽車電機控制方式及性能提升的技術創新改進

摘 要：新能源汽車電機控制技術作為新能源汽車核心技術之一，其性能直接影響到整車的動力性、經濟性和可靠性。從現有科技水平來看，新能源汽車電機的控制仍有改進的空間與程度。本文結合電機新技術發展，對三種常見電機，應用無級變速調節、空間矢量脈沖寬度調制、直接轉矩控制等手段，對使用功率、電路優化兼容、電磁轉矩精確度等電能轉換效率指標進行了仿真的測試分析，提出了新能源汽車電機控制性能提升的有效途徑和實現方式。

關鍵詞：新能源汽車 電機控制 性能提升 創新改進

新能源汽車不僅大大減輕了空氣污染和能源短缺的壓力，其市場占有率也日益增大，且逐漸得到了人們的認可。但就目前我國新能源汽車技術發展來看，還存在諸多問題亟待解決，如缺乏全方位的技術支持、電池續航不足等，導致新能源汽車的性能并未達到最優化。尤其是新能源汽車電機控制技術，在提供車輛動力、提升電能與機械能之間轉換效率、提升控制性能等技術指標方面仍存在較大的缺陷。

就控制性能而言，目前常用的電機調速控制方式是通過改變電壓或電流來實現的[1]。但是，這樣的方式是十分低效的，電機無法提供足夠的轉矩，導致電機無法確保在足夠的時間內保持其性能，降低了可靠性，也更容易損壞。此外，與工業電機相比，新能源汽車的驅動電機系統面臨著更多的發展挑戰，如速度控制范圍不夠寬、控制效率不高以及驅動循環動態運行不可預測等[2]。

針對以上諸多問題，本文首先剖析了直流電機、開關磁阻電機以及交流感應電機的優缺點，其次針對新能源汽車使用的幾種電機創新的應用無級變速調節、空間矢量脈沖寬度調制、直接轉矩控制等手段，對電機使用功率、電路優化設計、電磁轉矩精確度等進行了真實的測試與數據分析，提出了改進直流電機、開關磁阻電機以及交流感應電機的控制性能提升的方法。

1 常見的電機控制技術

電機是一種功率元件，其獨特之處在于它能夠在電能和機械能之間實現雙向轉化。這種轉化不僅體現在電機的電動功能上，還體現在其發電功能上，使得電機具有雙重功率特性。正是基于雙重功率特性，電機的控制方式是多樣的。以下是三種常見的電機控制方式，被廣泛應用在同步電機、異步電機等上面。

1.1 恒壓頻比控制

恒壓頻比即將電機的電壓和頻率作為外部變量，供電電壓的基波幅值隨著速度的變化而規律變化，從而保證定子每頻率電壓保持恒定來獲得恒定的磁通[3]。此控制方式屬于開環控制，策略簡單，轉速可直接通過電源頻率進行控制。但是，此控制系統中沒有信息反饋，所以電磁轉矩無法精確控制。同時，如果有額外負載時，電機容易出現失步現象。

1.2 磁場定向控制

矢量控制的基本思路是將三相坐標系下的相關變量轉換到旋轉坐標系進行數學運算[4]。主要過程是先測量三相定子電流，然后將三個電流值分別經過Clark變換和Park變換得到旋轉坐標系下的兩個電流值，然后計算轉換后電流值與其設定值的誤差，將誤差輸入控制器，得到輸出的控制電壓，將電壓進行反Park和反Clark變換得到三個電壓值。最后，用這三個電壓值計算出三相各橋臂開關管的導通時間。磁場定向控制的系統動態性能好，控制精度高，運行平穩且轉矩脈動小，但是相對的系統計算較為復雜。

1.3 轉矩控制

轉矩控制的基本思路是放棄了矢量控制中電流解耦的控制思想[5]。在定子坐標系下，直接控制電機的電磁轉矩和定子磁鏈，通過觀測器觀測實際的電磁轉矩和定子磁鏈，與給定值相比較。通過實時檢測電機定子電壓和電流，計算轉矩和磁鏈的幅值，與給定值比較，利用差值來控制定子磁鏈的幅值及該矢量相對與磁鏈的夾角。轉矩控制具有結構簡單、動態響應快、對參數攝動靈敏度低、魯棒性強等優點，適用于動態響應快、調速寬的應用場景。然而，它也存在低速時電流和轉矩波動以及對高采樣頻率要求高的缺點[6]。

2 新能源汽車使用的三種傳統電機控制技術

電機的種類繁多，包括直流電機、開關型磁阻調速電機、交流異步感應電機以及永磁同步電機等，它們各自在不同領域發揮著重要作用，它們的優缺點以及常規控制方式如下。

2.1 直流電機

改變直流電機的旋轉方向，可以通過兩種方法實現：勵磁繞組反接法和電樞反接法。除了旋轉方法的控制外，直流電機的調速主要通過三種方式實現：調電壓、在繞組中串聯電阻及變磁調速。直流電機控制技術廣泛應用于大功率、高精度的自控系統中，優點主要是其穩定的性能和易于控制的特性。而且，因其啟動轉矩大的優勢被廣泛用于輔助起動，或因其調速范圍廣以及成本低的特點，用于壓縮機或水泵等。此外，代直流電機控制技術還引入了微處理器、傳感器等先進技術，實現了對電機運行狀態的實時監控和智能調節，進一步提高了直流電機的控制精度和可靠性。

但是，直流電機因功率密度低以及電磁兼容性的問題是一個較大的缺點，令其難以滿足新能源汽車的動力需求。

2.2 開關型磁阻調速電機

開關磁阻電機最常見的控制方法有四種：第一種是保持電壓不變，通過改變開通角和關斷角進行控制，磁方法轉矩調節范圍大、電機運行的效率高，但不適用于低速運行；第二種是電流斬波控制，保持開通角和關斷角不變。這種方式適用于低速和制動運行，電機的輸出轉矩也平穩，但是用作調速系統時，抗負載擾動的動態響應慢；第三種是電壓控制，通過調節信號的占空比進行控制。該控制方式抗負載擾動的動態響應快，但轉矩脈動較大，調速范圍有限；最后是組合控制，即根據不同工況結合以上方法的控制方式，例如在車輛高速運行時使用角度控制，低速運行時使用電流斬波控制[7]。

2.3 交流異步感應電機

交流異步感應電機調速方式一般有三種：變極調速、變頻調速以及調節轉差率調速[8]。為了確保電機的穩定運行，無論是采用直接轉矩控制還是矢量控制，都需要對轉子的初始位置進行精確的定位。這種電機的優點是能夠在提高整車操控性能、動力性能和安全性能方面發揮著關鍵作用[9]。

然而，交流異步感應電機在實際應用中也存在一些缺點。由于定子與轉子存在轉差率，使得調速性能較差；調節轉矩時，定轉子之間的磁場會產生轉矩脈動，也會使得電機發生振動和噪音。而且在極端情況下，還可能引發線路熔斷故障，嚴重威脅到新能源純電動汽車的正常行駛和乘客的安全[10]。

3 新能源汽車電機控制技術的創新改進

通過對直流電機控制、開關型磁阻調速電機控制、交流異步感應電機控制等三種方式的剖析，發現它們在真正使用時都不能完美的達到較高的效能。為此，本文通過查閱以及仿真數據對比，找出能降低電機控制劣勢缺陷，以及提高電機控制效率效能的方法。具體做法如下。

3.1 無級變速優化和電機電路優化下的直流電機控制技術精確度提高

針對直流電機技術的優化，可以從兩個方面入手：一是實現無級變速優化[11]，二是進行電機電路的優化[12]。

無級變速優化是直流電機技術優化的重要方向之一。傳統的直流電機調速方式往往存在調速范圍有限、調速精度不高的問題。無級變速技術則能夠克服這些缺點，實現平滑、連續的調速，從而提高電機的運行效率和穩定性。為了實現無級變速優化，可以采用先進的電子調速器，通過精確控制電機的電壓和電流，實現電機的無級變速。同時，還可以通過優化電機的控制系統，提高電機的調速精度和響應速度，從而更好地滿足實際應用需求。其次，電機電路的優化也是直流電機技術優化的重要內容之一。電機電路的優化可以有效降低電機的能耗和溫升，提高電機的運行效率和可靠性。為了實現電機電路的優化，我們可以采用先進的電路設計技術，如使用高效能的電子元件、優化電路布局等。此外，還可以通過引入智能控制技術，如模糊控制、神經網絡控制等，實現對電機電路的精確控制，進一步提高電機的運行性能和穩定性。

3.2 整距繞組雙定子軸向磁通結構及單齒繞線繞組結構改變的開關型磁阻電機性能提升

在提升開關磁阻電機性能的過程中，除了常規的調控方法外，有研究還創新性的提出兩種新型結構[13]，整距繞組雙定子軸向磁通結構以及單齒繞線繞組結構，并與常見的集中繞組結構作對比，得出結論：通過改變雙定子結構能提高開關磁阻電機的性能。

結果顯示，整距繞組雙定子軸向磁通結構具有更短的磁通路徑，轉矩特性對比下可得整距繞組樣機的轉矩輸出能力最大；圖1顯示當施加電流為30A升到50A時，三種結構電機的平均靜態轉矩值都上升了，但整距繞組結構的數值最高。可見，電流越大，整距繞組結構的轉矩輸出能力越高，證明其具有更強的轉矩過載能力，性能更優秀。同時，從圖1中三者電感曲線對比可能看出，整距繞組結構的轉矩密度更高。

3.3 空間矢量脈沖寬度調制與直接轉矩控制方法改進下的交流異步感應電機功率提級

交流異步感應電機，在實現調節轉差率調速時，可通過在轉子上串聯電阻實現，可以通過改變定子端電壓實現，也可以通過串級來達到調速的效果。當然，為了進一步提高其性能，我們需要采取一系列的控制策略。

首先，可以采用空間矢量脈沖寬度調制控制。這是由三相功率逆變器組成的控制系統，輸出的電流波形十分接近理想的正弦波形。與普通的空間脈寬調制相比，電機能獲得更理想的圓形磁鏈軌跡，這使得電壓型逆變器的電壓利用率得到提高。同時，因為空間矢量脈沖寬度調制繞組電流波形的諧波小，能減小電機轉矩的脈動。通過空間矢量脈沖寬度調制控制系統仿真后的圖2可以看出，在電機空載起動后電磁轉矩突變，角速度也隨之升高，定子的瞬間起動電流很大，但是經短暫的調節后達到穩態，證明了此控制下轉矩脈動小[14]。

其次，直接轉矩控制也是交流異步電機主要的控制方法之一。與上述的矢量控制相比，直接轉矩控制系統不需進行旋轉坐標的變換，且控制過程中所需的參數較少，可大幅降低由于電機參數變化對性能的影響。根據異步電機DTC系統仿真實驗，時間設為0.2s，磁鏈和轉矩滯環寬度均設為0.01，帶負載轉矩10Nm起動，轉速800r/min。當電機運行至0.1s時，負載增加至50Nm。電機起動后，轉速由0快速增加到設定值，轉速出現超過調制，系統動態響應速度快。0.1s負載轉矩突增時，轉速稍微下降，但能快速回到設定值并趨于穩定，可見控制系統轉速抗干擾能力強，穩定性高。

4 結語

綜上所述，新時代的新能源汽車市場的蓬勃發展，離不開電機控制技術的創新改進，每一種技術的突破都是對新能源汽車性能提升的關鍵支撐。為解決電機發展面臨的多重挑戰，本文通過查閱數據、仿真對標等分析及圖表示意，表明直流電機的無級變速優化和電路優化，能進一步提高直流電機的運行性能和穩定性；開關磁阻電機在精準控制調控參數下，性能也得到提升；交流異步電機采用空間矢量脈沖寬度調制以及直接轉矩控制技術下，效率得到提高，轉矩脈動得以減小。這些技術不僅提高了新能源汽車的驅動性能，還極大地提升了其能源利用效率，為新能源汽車的可持續發展奠定了堅實的基礎。未來，隨著新材料、新工藝和新技術的不斷涌現，相信新能源汽車電機控制技術將會有更加廣闊的發展空間和應用前景。

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