新能源汽车电机控制技术研究

《北京汽车》2009.No.3北京汽车文章编号：1002-4581（2009）03-0021-04电动汽车用驱动电机控制系统研究肖平1冯能莲2XIAOPing1，FENGNeng-lian2（1.安徽工程科技学院先进数控和伺服驱动技术安徽省重点实验室，安徽芜湖241000；2.北京工业大学环能学院，北京100022）摘要：驱动电机的控制技术是电动汽车的关键技术之一，对整车性能有决定性的影响。文中针对电动汽车的要求对直流驱动电机的控制系统进行研究，完成了控制系统软硬件设计。采用智能功率模块IPM作为强电回路的主要功率器件，设计中采用软件滤波和光电隔离的措施以提高系统的抗干扰能力，采用模糊PI调节对电枢电流和励磁电流进行闭环控制。试验表明，所设计的控制系统能够满足电动汽车的行驶要求，为进一步进行电动汽车的研究奠定了基础，积累了一定的技术经验。关键词：电动汽车；直流电机；控制；设计；模糊PI中图分类号：U469.72:TM331+.3文献标识码：A自从电动汽车面世以来，就有了电机驱动系统。电机驱动系统是电动汽车的心脏。它的任务是在驾驶员的控制下，将蓄电池的电能转化为车轮上的动能，或者将车辆上的动能反馈到蓄电池中[1]。电动汽车对电机驱动控制系统的基本要求是：有4~5倍的过载动力以满足短时加速行驶和最大爬坡度的要求；电机应根据车型、车辆的行驶规律进行设计；要求有较高的功率密度和好的效率图（在较宽的转速和转矩范围内都有较高的效率），从而能够降低车重，延长续驶里程；为使多电机协调运行，要求电动汽车驱动电机可控性高、稳态精度高、动态性能好[2]。目前，在电动汽车上运用的电机驱动系统主要有直流电机驱动系统、异步电机驱动系统、开关磁阻电机驱动系统、永磁电机驱动系统。异步电机有结构简单、电机成本低等优点，但有驱动系统的控制复杂，不易达到宽范围的恒功率调速的缺点；开关磁阻电机有效率高、成本低等优点，但是电机驱动系统有转矩脉动，噪声大并且使用位置传感器增加了结构复杂度，降低了可靠性等缺点；永磁电机具有功率密度高、在宽速度范围内运行效率高等优点，但有驱动系统电流损耗大，永磁体有退磁问题,有转矩脉动，工作噪声大等缺点。与这3种电机驱动系统相比，直流驱动系统具有成本低、调速性能好(平滑和精确)、控制器简单、控制相对成熟等优点，同时直流电机还具有起动转矩高和宽恒功率调速范围，适合在牵引领域应用等优点；因此，本课题研究的电动汽车采用直流电机驱动系统，尽管它存在机械换向器所引起的效率低、转矩脉动大等缺点[3]，但是由于设计中采用了直流斩波技术，使得直流电机的功率因数、工作效率、动态性能和转矩脉动性得到明显改善，因此设计中的直流电机能够满足电动汽车的工作要求。1驱动电机控制系统硬件设计文中所研究的电动汽车，电池为水平铅布电池，单体电池容量85Ah，额定电压216V（单体电池电压12V×电池数18）；驱动电机采用45kW他励直流电机，其控制系统硬件设计包括电机的·电动汽车用驱动电机控制系统研究·

Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ・汽车电子　

关于对新能源汽车及电机驱动的控制技术的探析　

键词】新能源汽车电力电子电机驱动　

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电力电子技术是现代汽车的核心控制技　

一，在新能源汽车的发展中，起着越来越　

Ｅ的作用。相对而言，新能源汽车与电机驱　

ｊ控制技术，是密不可分的，应通过电机驱　９控制技术，更好的完善新能源汽车，并且　

度的降低汽油的运用，实现新能源的更大　

。另一方面，在研究和应用电机驱动的控　

￡术方面，应尽量加强联合技术的应用，配　

种设备和细小的零部件，完成新能源汽车　；项优化。在此，本文主要对新能源汽车及　

驱动的控制技术进行讨论。　

听能源汽车概述　

新能源汽车与社会发展息息相关，通过　

这种类型的汽车，能够更好的完成交通建　

口出行的便利。因此，国内和国外对新能源　：的研究都比较深入。从时间上来讲，国外　

能源汽车的研究较为深入，并且投入了大　

ｊ优惠政策，包括激励性的财税政策、综合　

交通管理措施等等。美国作为发达国家，　能源汽车的研究中，于２００５年修订了能　

案，并且会在后续的研究和发展中，投入　

ｌ０亿美元，进行相关技术的研发。我国作　

一个国际大国，在新能源上的应用，属于“后　

秀”。例如，我国在“十一五”的计划期间，　ｒ了“８６３”计划节能与新能源汽车重大项目。　

￡开展“三横三纵”的研究方案，实现我国　

源的高效利用和新能源汽车的深度研发。　

听能源汽车的电机驱动控制技术　

新能源汽车在实际的应用中，具有环保　

好、使用寿命长、安全性高等特点，受到　

ｇ驶者的广泛欢迎。但是，由于现阶段的部　文／吴静波郭志军　申彦杰　

分技术还未达到较高的水平，多数的新能源汽　车，主要采用的是混合动力来完成行驶的。在　

新能源汽车中，电机驱动控制技术，作为新能　

源汽车的核心部分，其造成的积极影响是非常　

大的。在此，本文主要对新能源汽车的电机驱　

动控制技术进行论述。　

２．１电机驱动控制　

新能源汽车的研究与应用，成为了当前　

新能源汽车电机控制系统设计技术研究

随着全球能源危机的日益加深和生态环境问题的愈发严峻，新能源汽车日益成为各国政府重点支持和研发的领域。相比传统燃油汽车，新能源汽车具备环保、节能、高效的诸多优势，越来越受到人们的关注。其中，电动汽车是新能源汽车的主要发展方向，因为它具有电力驱动、节能减排、健康环保、静音等特点，同时其动力系统也成为电气化汽车的核心所在。

而在电动汽车的动力系统中，电机控制系统起到了至关重要的作用。新能源汽车经常采用交流电机或永磁同步电机，与传统燃油汽车的发动机不同，电机控制系统直接影响电动汽车的性能、效率和安全性。下面，本文将讨论新能源汽车电机控制系统设计技术的研究现状、问题及发展趋势。

一、电机控制系统设计技术研究现状

目前，国内外在电机控制系统设计技术方面已取得了长足进展。在控制方式上，从最早的PID控制算法到现代控制理论和现代控制算法，可以实现多种控制策略，如功率流量控制、控制轴转矩和速度、感应器控制剩磁转矩等。这些控制策略对应了不同的场合和应用，如车队管理、电机驱动、恒流控制和多电机控制等。

此外，在硬件选型方面，也有多种不同的解决方案。例如，传统模拟电路与现代数据采集和控制型处理器的设计相结合，可以实现更高的控制性能和可靠性，同时也具有更好的灵活性和可编程性。

二、电机控制系统设计技术研究问题

虽然已经有了较为成熟的技术研究成果，但在实际应用过程中，依然存在一些问题。具体来说，有以下几点：

（1）高速运转条件下的问题。由于电动车电机转速高，电机控制系统的高速动态响应能力成为制约其性能的重要因素。这使得目前电机控制系统的研究重点逐渐转向了高精度控制器、高速数据采集和处理技术、复杂控制算法等。

（2）制动过程中的问题。目前电动车主要采用驱动电机反转制动和制动能量回收技术进行制动，但二者都存在一定的问题。因此，目前还缺乏一种高效的电机制动控制方法，这是电机控制系统技术研究的难点所在。

新能源汽车驱动电机技术研究

新能源汽车是近几年来快速发展的领域。与传统内燃机驱动汽车相比，新能源汽车有着更优秀的环保性能，减少了对自然环境的污染，也是解决气候变化问题的一种手段。随着政府各种政策的支持，新能源汽车的销售量也在逐年增加。而随着电动汽车的普及，驱动电机技术的研究也变得越来越重要。

一、电动汽车的驱动电机技术发展历程

电动汽车的发展前景一直备受关注，但由于电动汽车的驱动电机技术一直较为落后，限制了电动汽车的发展。而在长期的发展中，驱动电机技术也经历了几个阶段的发展。

1. 直流电机阶段

最早的电动汽车使用直流电机作为驱动电机，这种电机通常是由可逆的电池组提供动力，在使用过程中具有很高的效率。但是，直流电机需要使用大型的电容器存储电能，使得电机效率受到了较大的限制。

2. 交流电机阶段

随着电子技术的进步，现代的电动汽车大多采用交流电机作为驱动电机，这种电机相对于直流电机来说，功率密度更高，效率更高，也更加具有抗干扰技术。但是，交流电机的控制技术相对而言更加复杂，电机的可靠性也受到了比较严重的制约。

3. 磁共振电机阶段

磁共振电机是电动汽车领域的新一代驱动电机技术。这种电机基于磁共振理论，能够实现高效、高功率且低噪音的驱动效果。磁共振电机的应用在电动汽车上，具有当世所有电机中最高的功率密度，支持从几马力到几百马力的所有级别的电动汽车，是未来发展的趋势。

二、新能源汽车驱动电机技术的研究现状

1. 驱动电机的设计研究

电动汽车的驱动电机系统由多种关键部件组成，如电机、电控器、变速器等。在新能源汽车生产中，为保证驱动电机的实际性能与设计同步，需要开展一系列研究设计工作。此外，电动汽车驱动电机还是一个系统集成的过程，需要各项技术协同工作，特别需要加强底盘、悬挂、转向等配套技术工作的研究。

2. 驱动电机的控制研究

电动汽车驱动电机的控制系统是整个汽车系统的关键部件之一。目前，通过动态系统模型的分析和仿真，大量研究表明，通过优化和改进控制算法、提高控制精度，可以改善电动汽车动态性能和经济性能，降低能源消耗和排放量。