电动汽车驱动电机和控制系统应用探讨

袁菲

（厦门工学院，福建 厦门 361021）

自1886 年人类第一辆燃油汽车的诞生，汽车的发展史已经历了100 多年。在21 世纪的今天，随着人类保护地球可持续发展及传统燃油汽车对大气环境污染的加剧，全球各国的汽车制造商都在着力研发新型能源汽车，逐渐淘汰以燃油作为驱动力的传统汽车。政府的支持和民众的推崇，让新能源车的关注度越来越高，其环保、低噪音、易操作等特点也越来越受到人们的喜爱。新能源车里，电动汽车是作为目前新能源技术最成熟的，和传统燃油车不同，燃油车是靠发动机运转做动力输出、经变速箱、传动部件等完成车辆的运动；而电动汽车运动的方式就简单得多，齿轮部位被“三电系统”转换，即动力电池系统、电驱系统、电控系统。可以这样理解，电动车辆的乘坐舒适性和节能型都取决于电机是否优良。

1 电动汽车电机驱动控制系统的优缺点

电动汽车的核心部位就是“电机”，相当于人体的心脏。车辆运动的一切动力输出都来自车辆驱动控制中最关键的部位。每台电动汽车的驱动控制系统和不同车型的要求，电机在电动汽车中运行，都应保证安装的电机能够把动力最大化的发挥。在针对直流电机、交流水磁电机、开关磁阻电机、交流感应电机的对比中发现，直流电机的优点是启动性稳定，技术成熟而且易操控，缺点是维护困难、个体笨重、成本过高等；交流永磁电机的优点是体积小巧方便搬运、功效大、转率高，缺点就是容易退磁、控制繁杂；开关磁阻电机优点是可靠性高，结构简单、功效高。缺点是噪音太大，不好操作。交流感应电机的优点则是成本低廉、结构简单，缺点是维护难。分析可见，虽然交流永磁电机在效率和运行功率上高于交流感应电机，但是交流感应电机相对交流永磁电机的控制能力相对较强，而交流感应电机在电动汽车应用时无须特别维护的特点，突显交流感应电机在电动汽车的未来发展中起重要作用。

电机驱动着汽车前行，电机控制器控制电机工作以最大效率的工作运行。其主要是由中央控制单位、功率单位、驱动控制单位等各种传感器组成。其中，中央控制单位把车上接收到的各部件运转的信息，转换后发送指令传给逆变器驱动电路，并对控制结果进行检定。功率单位是逆变器将动力电池的直流电变成交流电输送给电动机。驱动控制模块将中央控制模块的指令进行转化，传递给逆变器。传感器更是指系统应用到的如电流，电压、温度传感器、电机转角位置传感器等。其中，电机在我们生活中广泛运用。按功率可分为直流电机和交流电机，平常各种电器上使用的就是直流电机；而市面上电动汽车则基本上使用的交流电机。交流电机也分成两种：同步交流电机，包括励磁同步、永磁同步；异步交流电机，包括单相异步、三相异步电机。特别要说的是，开关磁阻电机算是目前比较新型的电机，使用可靠、构造简单和功效高对现在电动汽车领域发展潜力巨大，也被业内人士所看好，可是由于噪声和不易控制的原因，只能在大型车辆上使用，目前7 座以下乘用车还是以永磁同步电机更受欢迎。永磁同步电机和直流电机的结构类似，也有直流电机在构造简单、效能大、调速优良、故障率低等同样优势。再者，永磁同步电机又在驱动方式区别于直流电机，在噪音和操控上更有优势，同样功率输出下，永磁同步电机更适合应付多种情况。

2 对电动汽车电机驱动控制系统的分析

电动汽车在运行过程中状态是否良好来源于驱动控制系统的优良与否。所以，保障电动汽车良好运行，驱动控制各单元的完美匹配尤为重要。矢量控制（VC）与直接转矩控制（DTC）是驱动控制的常用单元组合，能确保电动汽车良好运行不出差错，所以，矢量控制和直接转矩控制的参数比较要做好记录。按照矢量控制和直接转矩控制的参照比对，单从数据规格来说，质量控制更容易被影响，直接转矩控制则要稳定得多。在功率器件开关频率比较，失量控制要高于直接转矩控制；从系统复杂度来看，矢量控制和直接转矩控制都较为一般；从系统低速性能观察，矢量控制表现不错，直接转矩控制表现波动不稳定；从系统启动性能上来讲，矢量控制更平顺有力，而直接转矩控制对车辆的冲击力、磨损性较大；从系统转矩脉冲比较，矢量控制更比直接转矩控制要小得多；从调速范围来讲，矢量控制比直接转矩控制广泛。由此可见，直接转矩控制和关量控制在启动性能、低速性能、调速范围等各方面进行比较时，直接转矩控制是处在相对劣势状态下的。

随着全球能源局势不明朗及针对全球气候变化等一系列节能降耗的国家环保政策的实施，人们科学步骤地针对电动汽车控制器的专项研究和电动汽车一些关键部位所涉及的安全隐患研究日趋系统化。但其研究、关注的重点都有失偏驳，真正的着重点在于对电动汽车核心的驱动控制中心研究不够透彻，规格和运行温度超过标准限值，系统智能化不足，导致驱动系统对故障无法自检，最终加大了电动汽车在危险路况行驶的安全隐患。

3 电动汽车控制系统的优势

电机是电动汽车运动的能量来源。车辆本身的加速、极速、时间限值等和电动汽车各项能力都应该完美匹配。而电机驱动作为电动汽车控制系统的核心部分，未来对电动汽车的电机驱动控制系统将成为发展重点。

车辆电机控制系统的良好状态，和电动汽车运动状态紧密联系。车辆在应对多路况和外部温差天气环境时，对电机的各种性能，如稳定、功率、启停等各方面要求极高。驾驶员在车辆行驶过程中会有各种操作，由整车控制器接收驾驶员的指令，如加速油门和刹车踩制动踏板，然后通知车辆各控制系统运行，电机控制系统，相互配合运行使用CAN 通信。电机控制器再按照接收到的运行信息向驱动电机发出反应，改变电源电压、电流、频率等各种数据，从而控制驱动电机的转速和转动方向。在实际操作中，电机正转保持前进方向，还是要反转功率准备倒车状态。还有在车辆减速过程中做能量回收，将驱动电机的副扭矩产生的运动电流进行整合分流，给动力电池组充电，接收电机转速信息，实时反馈给车辆仪表，实时监测电机运行状态和故障检测，将电机状态各项数据整合分析并反复调节，提高控制精准度，最大化保证车辆正常运转。所以，电机控制系统作为电动汽车的核心部位，要有三个方面的优势：一是电机控制系统是能够经受得住频繁的启停操作。和燃油车不一样，电机这方面的可靠性不定，要在汽车应对各种路况和外部天气温差环境多变的情况下，人为操作的启动和关闭系统都能保持稳定良好的机械运行状态。二是电动车辆各项指标和控制升级，加强车辆各部件的兼容和电池的可耐用度，以最大限度地使电动汽车的能量最大使用化，和强化车辆电池超续航性都有极大的提升。三是车辆电机在日常用车中，面对复杂频繁的操作，电机启停和灵敏度都稳定可靠。电动汽车各零部件在保证外部温度标准内，环境温差在30 ～130℃，电机都能良好地有效运作。所以，电动汽车的电机控制系统升级与否，能最大限度发挥电动汽车驱动控制系统优势。

电动汽车的电机及其控制器作为电子元器件都有着极先进、复杂的技术，电机和控制系统作为车辆中最核心的技术部分，关系着车辆各项安全性能。目前，电动汽车发展已可满足人们基本生活需要，虽然电动汽车在行驶里程与能源上的研究设计，仍有一些技术难题暂未攻克，但解决这些技术难题只是时间问题。面对地球环境污染与人类社会能源消耗的矛盾关系，国外和国内关于新能源汽车动力研发及制造水平都是在同一层次的，国内这方面也更有资源优势和政策鼓励，一是电动汽车的“电池、电机、电控”核心技术中，生产电池和电机所要的两个关键资源在我国储量十分丰富；二是电动汽车在国家政策扶持下，进行相关产业研发更新升级，完善驱动芯片、电机控制芯片以及电机控制系统的标准化，相信业内人士很快会带给我们更多的惊喜，进一步推动国内电动汽车产业的优质高效发展。