新能源汽车电动驱动系统控制技术研究

《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·

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。

电动汽车电机驱动控制系统的研究

【摘 要】研究电动汽车电机驱动控制系统对电动汽车电力驱动技术具有重要意义。研究对电机驱动控制系统进行了设计。主要包括根据电力汽车对动力源的要求，分析电机的几种主要调速策略，并对电动汽车电机驱动控制策略进行了选择；根据选用电机特性，建立了电机驱动控制系统的控制模型，并确定了该控制系统的结构组成；在完成了增量式PI控制算法的实现的基础上，利用工程正定法选定了系统PI控制主要参数，并设计了控制系统的主控制程序。

【关键词】电动汽车；驱动电机；控制系统；PI控制

1、电动汽车电机驱动控制策略

电压控制策略直流电机系统在调压调速特性为：Te=Cm（Udo-CeN）/R；在限制最大输出电流下，调压调速机械特性，在电压控制方式下，不同电压下的外轮廓斜线是一组相互平行的斜线，其斜线斜率由Te=CmId决定。对于一般电动汽车所用电动机，由于其功率较大，所要求的电枢电流也较大，为了提高电动机效率，其电枢回路的电阻R都很小，而Ce、Cm较大，因此这些斜线的斜率都很大。同时在这种控制方式下，控制系统的工作区域主要在限制最大电流的区域。采用这种控制方式，油门踏板对应不同的控制电压，此时一旦电压高于电机反电动势，控制系统及其容易进入限流控制区，车辆以最大驱动力矩行驶，这显然是跟传统驾驶特性不同的。

转速控制策略是电机转速闭环控制的驾驶感觉与传统内燃机车不同，闭环控制是控制踏板的不同位置决定其不同的行驶速度。

力矩控制策略对永磁直流电机系统，采用积分作用（如PI规律）进行调节的电流负反馈控制实际上属于力矩控制。电流闭环控制，在理想电源条件下，永磁直流电动机得力矩-转速特性为平行于转速轴的直线。其曲线方程为：Te=CmId.

电机驱动控制策略的选择是驱动电机选取调节电机输出力矩的控制策略，驾驶员的控制指令在瞬时对应于电机输出力矩，在稳态对应于输出转速的控制。为了达到驾驶员期望的行驶速度，驾驶员通过对电机电枢电流的相应控制实现的，通过调节电流的大小可以控制汽车的行驶速度，通过驾驶员对车辆行驶速度调节就实现了电机的转速闭环控制，如果把驾驶员也看成一个控制环节，这样就形成了一个外环有驾驶员参与的转速闭环控制，内环为电机电枢电流的双闭环控制系统，这种控制策略适合于人工操纵的车辆的驱动驾驶。

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。