浅谈纯电动汽车驱动电机及控制系统

    王丽琴 孔博

    摘 要：纯电动汽车是进入21世纪以来诞生的新产物，符合当今社会对于节能环保方面的需求。因此具有广阔的发展前景。对于纯电动汽车而言，其驱动电机及控制系统是最核心的要素，在全车的配置当中具有举足轻重的作用，它直接关系到全车的性能和质量。本文针对纯电动汽车驱动电机及控制系统这一课题展开讨论，为纯电动汽车驱动电机及控制系统提出一些有效的建议。

    关键词：纯电动汽车；驱动电机；控制系统

    DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.08.045

    0 引言

    “纯电动汽车”对于今天的人来讲早已不再陌生，它有诸多优势，比如加速性能好、功率大、环保节能等，非常符合时代对于交通方式的变革需求。而驱动电机及控制系统，直接关系到纯电动汽车的性能和质量，纯电动汽车的设计和维护和保养非常重要，因此关于纯电动汽车驱动电机及控制系统是当代研究领域重点讨论的内容。

    1 纯电动汽车驱动电机及控制系统现状分析

    1.1 纯电动汽车对驱动电机及控制系统的要求

    不同于烧汽油或柴油的传统汽车，纯电动汽车是完全以电能为驱动力的。通过驱动电机来推动车辆前进，在控制系统方面也有着一些特殊之处。迄今为止，电动汽车驱动电机及控制系统有多种要素组成而成，它们分别为：电动机、控制器、功率电子装置、传感器等多项内容。其中，驱动电机的主要功能在于将蓄电池中的电能转换成机械能，以及通过对于蓄电池的制动，对于车辆的动能进行反馈。电动汽车对驱动电机及控制系统主要涉及以下几项内容：

    第一，驱动电机要求调速范围较宽。电机能在四象限内工作。

    第二，驱动电机及控制系统必须以转矩作为控制目标。转矩必须符合迅速且波动较小的要求。

    第三，要确保车辆加速较敏捷和高速时保持速度恒定。为此，必须在电机低速时有大的转矩输出和较大的过载倍数，要求电机高速区处有一定的功率输出。这是纯电动汽车相对于汽油车或柴油车的明显优势。由于内燃机的自身特性，其传动比无法直接调节，必须通过变速箱来进行调节。

    第四，驱动系统要有较高的工作效率，运行可靠，具备完善的电磁兼容性，且维护成本较低等。

    1.2 对电机的分析

    在电动汽车上所协调工作驱动电机涵盖的内容有：直流电机、交流感应电机、开关磁阻电机、永磁同步电机等。其中，直流电机是传统的电机类型，运用较可靠，控制较简便。但它的缺陷也非常明显：维护较麻烦，维护成本较高。而交流异步电机的维护成本较低，然而在驱动系统的控制上较繁琐，在较大范围内的恒功率调速很难实现。相较于前二者，永磁同步电机的功率密度很大，与此同时增大了驱动系统的电流消耗，而且永磁体具有退磁现象的特征。开关磁阻电机相对而言效率较高且成本较低，但其电机驱动系统存在转矩脉动，噪音较大且结构较复杂，可靠性较低。目前，国内绝大多数纯电动汽车采用的驱动电机均为交流异步电机。

    1.3 对功率电子装置的分析

    现阶段，常用的驱动控制系统元器件主要包括GTO、BJT、MOSFET、IGBT、MCT 等。而IGBT是一种较为理想的驱动控制系统元器件。它具有BJT与 MOSFET两者共同的优势，工作频率较高，可达 10 ～ 20 kHz。除此之外，在电压阻断峰值、门极驱动功耗率等方面也都具有明显的优势，在纯电动汽车上面具有普及推广的有效价值。而IGBT 的低压变频装置的极限容量可以达到380 V 级，540 kV·A，这项系统是目前为止电动汽车变频驱动系统中优先考虑的开关器件。

    1.4 对控制技术的分析

    电机的各种控制技能的实现条件包括标量控制、直接转矩控制、矢量或磁场定向控制、磁链控制等多个内容。

    矢量控制是一种较为理想的控制技术，其理论发展也较为成熟完善，可以对于电机参数进行较精确的辨认。目前，变结构控制（ VSC）也在纯电动汽车的控制技术方面异军突起，具有明显的后发优势。它尤其是在系统参数不确定、外部扰动和噪声等方面具备了明显的优势，有效地避免抖振、以及转矩和磁链脉动大等方面的各种的问题。除此之外，当代所研发出来用于试验和运用的控制技术还有神经网络、模糊逻辑等全新的手段。它们的推广运用，将有效地与那些传统点控制方法形成互补，尤其提高了电机效率，在电机参数的自动测量、自动整定时系统工作的调整等方面都具有不可替代的优势。

    2 纯电动汽车驱动电机及控制系统的未来发展趋势

    在我国以后的纯电动汽车驱动电机及控制系统发展趋势中，主要体现于以下几个方面：

    2.1 变速箱的运用

    传统意义上来讲，纯电动汽车由于其在发动机牵引特性上的优势，是不需要变速箱的。但多项试验研究表明，在纯电动汽车上面加装变速箱，对于车辆牵引效率的进一步优化是有好处的。所以未来会有更多的纯电动汽车会加装变速箱。

    2.2 电机的功率密度的提高

    电机在实际运作环节中，除了具备满足工况的状态，也受到了电动汽车空间的要素的调控，面积变小，重量减少，这样的现状充分降低了整车的负荷，同时也降低了投资从成本，提高了电机的工作运行效果，确保了电机的安全性、可靠性。

    2.3 驱动控制系统向一体化、集成化方向发展

    迄今为止，驱动控制系统向一体化、集成化方向发展是电动汽车控制系统的主要技術发展方向，随着电动控制系统集成化技术模式的实现，把低压 DC-DC 变换器、电机控制器、整车控制器、发动机控制器、变速箱控制器等元素统一利用一体化集成技术，将是未来电控系统的主要发展方向。

    2.4 控制策略智能化

    对于电机的控制除了基本的控制形态，还涵盖其他控制形态，比如保护控制、自发诊断控制、故障监控等多项内容，以达到控制策略智能化方面的要求，这也代表着未来控制策略智能化的全新趋势。

    3 结语

    伴随着纯电动汽车开始进入千家万户，其驱动电机及控制系统也日益成为一个热门的课题，我们迫切需要在该领域实现驱动电机及控制系统稳定可靠的运行目标，目前我们通过开展大量的研究，在这方面已经形成了一整套的理论体系，但仍然存在着一些需要进一步完善的地方。未来纯电动汽车的驱动电机及控制系统还会随着科技水平的不断提升，发展前景更加广阔。

    参考文献：

    [1]窦汝振，李磊，宋建锋.电动汽车用驱动电机系统的现状及发展趋势[J].变频器世界，2007（02）：73-74+83.

    [2]陈全世，朱家瑛，田光宇.先进电动汽车技术[M].化学工业出版社，2009（03）：87-88.