新型电动汽车驱动技术的研究与应用

《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·

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。

新能源汽车电机驱动系统控制技术分析

摘要：随着社会的发展，汽车已经成为了人们最主要的交通方式，随着科学技术的发展，新的能源汽车应运而生，它抛弃了传统的燃料和燃料，让汽车可以帮助人们更好的生活，也可以减少对环境的污染。电机传动是新能源汽车的关键部件，对其进行优化和改进，可以有效地提升新能源汽车的质量，同时也可以通过优秀的电动机传动系统来提升企业在激烈的市场竞争中的核心竞争力。

关键词：新能源汽车；电机驱动系统；控制技术

1.新能源汽车电机驱动系统控制技术概述

新能源汽车的电机驱动系统中，电磁驱动器是实现电机驱动的关键部件，利用电机的转速来调整电机的转速，可以实现电机的驱动。在永磁同步电动机中，三相的定子在一百二十度的角度上产生的磁场会在空气间隙内不停地转动，而由稀土永磁铁组成的正弦磁场可以维持转子的位置，当转子转动轴系与转动轴线系统重合时，定子磁场可以带动转子磁场转动，从而实现新型汽车电机的驱动控制器的解耦控制。电动机的调速范围必须扩大，无论是恒功率区还是恒转距区都是一样，低速运行的横转距区可以在爬坡的时候有很大的转距来启动，而在高速度下的恒功率区低转距可以让新能源汽车在平台上快速地运行。同时，新能源汽车还必须要有再生刹车的功能，这样才能让电池得到更多的电能，才能将新能源汽车的能量发挥到极致。电机必须要能适应恶劣的环境，适合大规模的工厂制造，而且对电机的维护也很容易，而且价格也很便宜。因此，用户在选购新能源汽车的电动机时，要考虑到电动机能否实现双向控制、电动机能否回收电能、刹车和再生能源。

2.新能源汽车电机驱动控制技术分类

2.1直流电机驱动控制技术 在新能源汽车的研制与生产中，首先被广泛采用的是直流电动机的驱动技术。在晶闸管还没有研制出来之前，用电驱动的车辆，还得靠着机械来调整车速。为了调节电动机电枢电压，采用了多组电池的串联数目。很明显，这是一种比较死板、低效、不可靠的技术，而且在使用过程中，还会产生一些顿挫，影响到行车的舒适性和安全性。晶闸管的研制成功，让这种局面得到了极大的改善，新能源汽车的电动机，可以采用PWM技术，而不是像以前那样，需要手动调整转速。但是，直流电动机也有其不足之处，即效率相对较低，如电刷、换向器等元器件的老化、损坏速度比较快，经常要进行维修、更换，增加了新能源汽车的使用费用，并且由于其本身的体积比较大，因此不适合于小型车辆。

关于“电动汽车驱动电机及其控制技术的现状与发展”的调研报告

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一、新能源汽车驱动电机的发展情况

1.1驱动电机是新能源产业重要环节，永磁同步电机已占主导

驱动电机是新能源汽车产业链重要环节。电机驱动控制系统是新能源汽车车辆行使中的主要执行结构，驱动电机及其控制系统是新能源汽车的核心部件(电池、电机、电控)之一，其驱动特性直接决定汽车行驶的爬坡、加速、最高速度等主要性能指标，是电动汽车的重要部件。

永磁同步电机在国内驱动电机市场中份额近95%。永磁同步电机由于我们国家在稀土资源方面的优势，以及永磁同步电机功率密度大、峰值效率高、尺寸小、质量轻、结构多样化及应用范围广等特性，永磁同步电机在国内装机量快速提升，2021年前11月国内永磁同步电机装机量达269万台，装机占比达到94%，在新能源驱动电机市场中占据绝对主导地位。

1.2主流车企纷纷换装扁线电机，扁线电机渗透率将快速提升

1.2.1 扁线电机正成为主流

扁线散热性好，提升高温动力性。扁线由于导体接触紧密，槽里空隙降低，热量传导和散热系数提高，高槽满率下绕组间的导热能力是低槽满率的1.5倍；交流电阻下降在中低速发热降低，相对圆线定子温升降低18%，降低齿槽内热阻，热传导更好；并且槽满率高，具有更强功率扭矩能力，改善定子槽内散热，降低齿槽内热阻，温升可降低约8~12%，在更低的温升条件下，整车可以实现更好的加速性能。

扁线电机功率密度更高，整车动力更强劲。扁线电机槽满率高，转矩密度提高，有效体积缩小，转矩加大，而功率提高，功率密度提高（例如上汽第二代EDU高功率Hair-pin电机使功率密度提高20%），电机扭矩输出能力加强，进一步提升功率密度和整车动力性能。圆线电机功率密度约3.5kw/kg的水平，已无法满足“十三五”规划中功率密度应满足4.0kw/kg的要求，而当前领先企业的扁线电机的功率密度约5kw/kg，因此扁线电机是未来发展的必然趋势。此外，扁线电机利用其较大的端部导体间隙优势，冷却油可以直接渗透入绕组端部，吸收每一个导体的热量，将电机绕组温度降低68%以上，大大提升了电机的功率密度和转矩密度水平。