新型电机控制技术用于电动汽车的机遇与挑战研究

戴 斌

（法雷奥汽车内部控制（深圳）有限公司，广东深圳 518103）

0 引言

我国政府近些年大力推动新能源汽车发展，并实施了很多的扶持政策，如今正处于电动汽车发展的黄金时期。相比燃油汽车，电动汽车的动力装置主要是由驱动电机、调速控制器、动力电池、车载充电等部分组成。电机控制技术半导体解决方案供应商同样面临着巨大的市场机遇。电动汽车需要电动机提供动力，其时速快慢、启动速度取决于驱动机的性能与功率。电动汽车驱动电机的种类有很多，包括有刷/无刷、有磁性/无磁性、交流步进电机等。要根据电动汽车配置、用途、定位等因素选用驱动电机。由于传统电机控制技术存在能耗高、性能差、扭矩低等问题，而采用新型电机控制技术可以大大减少对传统能源的依赖，通过较强的扭矩提升整车性能，这对推动电动汽车发展有着重要意义。

1 电动汽车电机控制技术与主要特征

1.1 电机控制技术及其构成

电动汽车电机控制器是一种主动工作中的设备，主要是按照设定方向、扭矩、速度开展工作。电动汽车电机控制器内部主要由控制电路、驱动电路、功率变换模块、保护模块、散热系统等构成。

（1）控制电路主要负责调节电机的运行电压、电流、温度等参数，从而实现对整体控制器、电池管理系统等单元数据交互，结合不同的电机类型特点可以实现不同控制算法。

（2）驱动电路主要实现能量转化，将电机控制信号转变为驱动信号（驱动功率变换器），并将功率信号、控制信号隔离。

（3）功率变换模块主要是通过控制开关动作来控制电机电流。如今常见的电力电子器件为硅基IGBT。

1.2 主要特征

电动汽车电机控制系统要在几秒钟时间将电动汽车从静止状态驱动到一定行驶速度，这与内燃气汽车发动过程较为相似。因此，想要实现这一目标，就必须要求电机控制系统具备非常高的峰值电流能力，提供非常大的扭矩力让汽车移动。在电动汽车使用寿命内，要反复进行千万次驱动流程，所以对半导体器件处理的可靠性有非常高的要求，并且还要保持这些器件控制精度，从而更好地获取高峰值电流性能，但在实际应用中要注意过载条件、异常条件下的保护性。

2 新型电机控制技术用于电动汽车的挑战

汽车电子技术作为推动汽车产业发展的核心动力，特别是对于电动汽车来说，其诸多创新都源自于汽车电子技术以及相关产品的研发应用。其中，用户对电动汽车的首要要求就是保证安全。通过分析汽车的运行机理可知，电机运行环境十分恶劣，必须要能够满足-40～125 ℃的温度范围，因此相比传统工业，电机控制除了要满足力矩控制精度、动态性能等要求，还要确保电机控制系统运行的稳定性、可靠性、安全性[1]。同时，为了能够满足乘客舒适度，还必须要节省电机系统占用空间，电机产品尺寸尽可能小，必须要顺应电机模块小型化的发展趋势。

3 新型电机控制技术用于电动汽车的机遇与发展策略

3.1 针对电机控制现状提出解决方案

如今，很多汽车中都安装了电机，即使是非电动汽车或混动汽车，未来也会朝向电动化方向发展。这是因为生产商想要将泵、电扇、增压器、压缩机从内燃机电源中移除[2]。将传统带传动、液压传动替换为电机驱动形式，减少对燃料、润滑剂、制冷剂的依赖。在此方面，需要厂商不断创新和努力，加强各个厂商之间的技术联合，帮助电机控制方面经验不足的供应商建立控制解决方案、驱动解决方案。

3.2 整车厂商、汽车电子解决方案供应商合作

在电机控制层面上，想要保证电动汽车的实用性、可靠性，电机需要实现低速大扭转，即使是在零速度下依然可以提供扭矩，所以必须要保证矢量控制的精准性。不同类型电机的矢量计算方式不同。同时，新型电机控制对车规、宽温度范围提出了新的要求。在电动汽车控制系统中，加强充电系统、电源管理系统的结合是动力电机控制的重要方法，通过研究、提供完整的电机控制解决方案，如处理器、电流检测、隔离与驱动等，这样即可提升电机控制的综合性能[3]。

半导体厂商加强科技创新可以为电动汽车发展提供不可或缺的推动力。从当前我国电动汽车未来发展趋势来看，整车厂商、汽车电子解决方案供应商合作是一大趋势。企业通过深耕电动汽车市场，加强整个产业链条的整合，配合电池管理厂商，共同为车场、零部件供应商提供高质量服务。

3.3 更高能效直接转矩控制

电动汽车的本质决定了其燃料泵、空调、雨刷、升窗器、车门等部位要凭借高能效的PMSM、BLDC电机，传统所采用的步进电机、直流电机不能满足使用要求[3]。在很多地区，电动汽车之所以不温不火，主要是受到电动汽车电池充电时间、充电后使用驾驶里程影响，如果电池充电时间长且满电驾驶里程较短，势必不会受到市场青睐。因此，设备制造商必须要在电动汽车中采用高能效电机算法，最大程度上减少汽车运行能耗，从而提升满电下电动汽车的驾驶里程。在电动汽车控制算法上，直接转矩控制由于能效更高，所以在某些应用场景可能更受市场青睐。

4 电动汽车电机控制的未来发展趋势

4.1 高功率密度

新型电机控制技术很多，其中宽禁带半导体电机控制器可以有效提升运行效率、控制操作结温。如今大部分电动控制器都是应用IGBT，由于使用的是硅基材料，在材料性能影响下，硅基功率器特性已经十分接近材料自身极限承受范围，降低了汽车运行安全性、稳定性。而SIC 操作结温可以达到175 ℃，操作频率可达100 kHz，开关损耗量明显降低，极大提升了系统运行效率，减少死区空间，强化了系统输出性能。如丰田中央研究所和电装公司联合开发的SiC控制器，相比同功能Si控制器体积下降了20%，并且车辆续航能力预计提升了10%。

4.2 高压化

对于市面上常见的电动汽车，其电压普遍在300～400 V，为了能够提高蓄电池充电效率，高压化充电技术已经成为了电动汽车充电领域的必然发展趋势。电机控制器中650 V的IGBT会向750 V、1 200 V的IGBT方向发展[4]。

4.3 智能化集成

电动汽车一经出现，除了减少了传统石油能源的使用量，同时也是智能化技术的产物，在现有的智能型IGBT 芯片温度检测、电流保护、智能驱动的基础上，加强了各个模块的集成，大大降低IGBT 模块温度检测延迟，加强整个模块的安全防护[5]。多合一控制在电动汽车领域已经不是常见的技术，传统的多合一更多是对模块的叠加，而未来电机控制器中会实现真正的集成，如动力线缆、传感器的集成；薄膜电容与叠层母一体化设计；温感器与IGBT集成等。

4.4 轻量化设计

在能够确保电动汽车运行安全以及车身强度的基础上，最大程度上降低车体的重量是重要发展趋势。一方面减少车体重量可以降低能量损耗；另一方面有助于提升车辆的动力性能，这也是电动汽车厂家重点研发的方向。如日本名电舍SiC电机控制器与电机一体化设计中，主要是以轻量化设计为主打。整个电动汽车的层次为车桥和变速箱集成、发电机与电动机逆变单元集成、电机控制器与电机集成，这些设计都是为了减少车辆的整体重量[6-7]。

5 结束语

综上所述，新型电机控制技术虽然可以有效改善电动汽车的综合性能，提升行车的安全性、舒适性，但同时也为电动汽车发展带来了挑战。通过本文的研究，任何一项新事物，要面对挑战、抓住机遇，通过找出现存问题的解决方案，加强与相关企业的合作、采用高效能转矩控制，从而提高电动汽车安全性、可靠性、续航能力以及降低能耗，最大程度上加强电动汽车的使用效能。