电动汽车驱动电动机及控制技术

改造者：吉学勇

随着资源能源的逐渐枯竭和人们环保意识的增强，对于电动汽车的开发和研究成为了新的领域。本文从电动汽车驱动系统的结构类别和电机特点进行了简要论述，重点就直流电动机、感应电动机、永磁电动机和开关磁阻电动机等四种电机及其控制技术进行详细论述，并对电机及其控制技术的未来发展趋势进行了预测。

石油能源是不可再生能源和污染性能源，随着我国汽车保有量的逐年攀升，汽车尾气污染日益成为大气主要污染源之一。为了实现资源的高效利用，节省能源，降低污染物排放，以电力发电来替代燃油发电的电动汽车逐渐成为了新宠。近年来，政府在政策等各个方面给予电动汽车许多优惠条件，旨在鼓励、发展和使用电动汽车。作为电动汽车的核心组成部件，不论是纯电动汽车（EV）、混合电动汽车（HEV）还是燃料电池汽车（FCEV），电机控制系统都是其核心的关键性组成部件，是电动汽车整车功能的集成和优化的最为核心的单元部件，电控系统的安全可靠性如何会直接影响到整个电动汽车运行的稳定和安全，可以说，电动汽车中的电机控制系统是整个汽车产业信息化转型的重要方面内容。

电动汽车驱动系统结构及电机特点

纯电动汽车（EV）、混合电动汽车（HEV）以及燃料电池汽车（FCEV）中的电力驱动系统在布置和结构方面不尽相同，但基本上都包含了电机驱动设备、机械传动设备以及车轮这三个主要部件。尽管电动汽车的驱动系统布置方式略有产别，但在电机驱动布置结构上则主要包括电动机、电子控制器和功率转换器等三个部分，这三块部件共同构成了电动汽车驱动系统的核心部件，其中，评价电动汽车驱动系统差异的最主要的是其中的电动机，目前，电动汽车的电动机主要有永磁无刷、开关磁阻、感应和直流四类（见表1）。

从表1 可以看出，永磁无刷电动机的整体评价是最好的，直流电动机评价效果不好，随着电动汽车驱动技术的快速发展，在国外的许多大公司已经逐渐开始淘汰电动汽车中的直流驱动系统的应用和研发。就其原因主要是在控制性方面，永磁无刷电动机和感应电动机要明显优于直流电动机，此外，永磁无刷电动机和感应电动机的生产成本低、功率密度高，后期维护较为简便，而直流电动机在体积和质量方面大，成本也高。随着电动汽车的广泛应用，对于电机的要求也越来越高，对于可控性、制动再生效率、稳态精度以及转速等方面都提出了更高要求，这也是未来电动驱动系统发展的研究和改进方向。

电动汽车驱动系统用电机种类及控制技术

电动汽车驱动电动机主要有直流电动机（DC）、感应电动机（IM）、永磁电动机（BDCM 和PMSN）以及开关磁阻电动机（SRM）四种。

直流电动机及控制技术

直流电动机结构较为简单，是电动汽车中较早使用的驱动系统。但随着控制技术的发展和电力电子技术的进步，直流驱动系统逐渐被淘汰，该结构的电动机机械转向结构容易产生电火花而有一定的安全隐患，且也不适合在多尘、潮湿和易燃易爆等环境中工作和使用，换向器在后期的维护过程中较为困难，价格高、体积和重量大等劣势。

表1 电动汽车驱动系统中的电机比较

图1 直流电机驱动特性

图2 永磁无刷同步电机驱动特性

感应电动机及控制技术

电动汽车的感应电动机变频技术有矢量控制、转差频率控制和V/F 控制三种。其中，矢量控制又叫控制定子电流矢量，它是指在电动汽车中把异步电动机的定子电流矢量分解，进而产生相应的励磁电流和转矩电流，并分别加以控制，同时控制励磁电流和转矩电力之间幅值和相位，与直流电机相比，感应电机具有体积小、质量轻，与车体的适配性更好，以及运行稳定性强，后期维修简单，维护费用较低等优势，在电动汽车上得到了广泛的应用。

永磁电动机及控制技术

永磁电动机主要有永磁无刷同步电机（PMSM）和永磁无刷直流电机（BDCM）两种，目前从运用的实际现状来看，大多数汽车生产企业多选择永磁无刷同步电机。永磁无刷同步电机调速性能好，而且电机的功率密度高，运行效率优良等优点，但不足之处就是永磁材料时间一久会产生退磁效应，易腐蚀，因而生产成本较高。永磁同步电机的研究主要是弱磁控制领域。当增加电子直轴电流时，直轴电枢就会发生反应，从而削弱整个电机的气隙磁场，实现弱磁增速的目的。

开关磁阻电动机及控制技术

开关磁阻电动机（SRM）最早正式推出的是英国，经过30 多年的发展，已经在我国逐渐应用到实际生产中，如我国第二汽车制造厂就使用过将SRM 应用到电动客车的生产中来。SRM 驱动系统较为复杂，具体来说是由SRM 电机、位置检测器、控制器和功率变换器组成。而且SRM 电机驱动系统难以建模，是一种非线性，因此，对SRM 电机驱动系统的控制主要采用神经网络控制和模糊逻辑控制法。SRM 电机具有控制方便、成本低、效率高等优点，也是现实中使用较为广泛的一种电动汽车电机类型。

电动汽车电机控制技术发展趋势展望

随着电动汽车技术研发力度的加大，以及人们对电动汽车的认可度越来越高，未来电动汽车的发展前景将是十分广阔。作为电动汽车的核心部件之一的电机及其控制技术也将会迎来良好的发展机遇期。未来电动汽车电机及其控制技术将会呈现出一下特点。

电机种类的多样化

前文中叙述了当前较为普遍的四种电机，这几种电机在性能的总体评价方面各有优势，而且目前在不同的电动汽车中都还有应用，这其中要以永磁无刷直流电机和异步电机为主要的使用两种电机类型。但是，随着微电子技术、材料科学、数控技术的发展，可以预见的是在未来电机的种类会越来越多，例如在直流电机发展基础上，逐渐开发出混合电机如永磁式开关磁阻等等多种形态。

电机控制的智能化

智能化是未来各个领域的发展方向，尤其是在电动汽车这样高精尖领域，未来模糊控制、专家系统、神经网络等非线性智能控制技术都会应用到电动汽车的电机控制系统中，电动汽车的电机控制将会取得良好的发展成果，智能化水平将会越来越高。

电机控制的数字化

计算机技术和微电子学的快速发展，大量微机专用的控制芯片和DSP 等等逐渐应用到电机控制系统中，目前用软件控制系统来逐渐替代硬件系统成为了发展的主流，电机控制系统在数字化条件下实现了自我保护、自我故障监视和诊断等功能，全数字化正是当前电动汽车电机控制及交流传动系统的重要发展趋势。