燃料电池电动汽车驱动电机及其控制技术

刘俊骏 宋雨茜 欧俊阳

摘 要：燃料电池电动汽车是根据原电池的原理，将化学能转化为电能，再通过驱动系统将电能转化为机械能，由于其产物是水，因此对环境无污染。本文主要讨论了不同的电机驱动形式及其控制技术。

关键词：燃料电池；电动汽车；驱动电机；控制技术

目前，石油等资源正在进一步匮乏，而且环境问题也日趋严重，因此社会对资源和环境的重视度正在逐步提高，燃料电池电动汽车作为一种新的节能环保的交通工具正受到来自各国政府的高度重视。

1 FCEV的结构及其工作原理

1.1 FCEV动力系统的基本结构

FCEV的基础是传统的燃油汽车，目前许多已经应用在FCEV上的技术参数都是由燃油汽车上的相关参数修改而来的，因此就外形来看，FCEV的外形特点和传统的燃油汽车几乎没有差别，但是两者在动力系统上却有着明显差异。

鉴于电机驱动独有的一些特点，所以FCEV在其结构、性能与技术参数上也有其独到的一面。

1.2 燃料电池的工作原理

燃料电池的本质就是原电池，它能将化学能转化为电能，在阳极上提供氢气，阴极上提供氧气，氢气在催化剂Pt的作用下失去电子形成H+，留在電解液中，而电子则沿外部电路流到阴极，形成电流。

在阴极上，O2与H+在Pt的作用下发生化学反应生成水，理论上只要原料能持续输入和产物水能及时排出，那么这个装置就能持续的向外供电。

2 FCEV驱动电机的作用

驱动系统的核心部件是电机，电机将燃料电池发出的电能转变为机械能驱动电动汽车运动，所以FECV的动力性能将直接由电机来保证。

3 燃料电池电动汽车驱动电机的种类及其控制方法

驱动电机及其控制技术是电动汽车驱动系统重点研究对象，目前根据电机的种类不同可以分为直流电机、交流异步电机、永磁同步电机和开关磁阻电机4种。直流电机因为其结构简单易于调整等优势最早应用在电动汽车上，但随着技术的不断革新，交流电机展现出来的优势更强于直流电机。

3.1 直流电机驱动系统及其调节方法

直流电机的主要组成部件是换向器，转子和定子。与其他电机相比直流电机具有成本更低、易于维修、起动性能好的特点。由于其控制技术简单且调速特别方便等优势，目前直流电机仍然用在了城市无轨电车上。

现阶段直流电机的控制技术常采用电枢电压调节法、磁场调节法和电枢回路电阻调节法这三种控制方法。

电枢电压调节法，顾名思义就是通过改变电压的方法来控制电机的转速，常被用作对直流电机的调速控制。

磁场调节法是通过对磁通量的调节来改变电机转速。

电枢回路电阻调节法是通过对电枢回路电阻的调节来使电流发生变化进而改变电枢的转矩。

3.2 交流异步电机驱动系统及其调节方法

交流异步电机的主要部件是定子和转子。交流异步电机的主要优点在于它工作可靠且效率较高，但是它的调速系复杂，并且成本高。虽然交流异步电机的应用正在逐步扩大，但是因为转子高速旋转时会发热，所以需要在电机内设置制冷机构对电机进行冷却。现在，一些电动客车也已经采用交流异步电机系统。交流异步电机的控制方法主要有FOC和DTC两种。

3.3 永磁同步电机驱动系统及其调节方法

永磁同步电机的主要部件是定子和转子。概括来说，永磁同步电机工作时噪声小且工作所产生的损耗小，另外它还有体积小和结构简单等的优点，但是由于目前技术的不成熟，因此还存在着成本高和起动困难的缺陷。永磁同步电机的控制方法有矢量控制（磁场定向控制）和直接转矩控制等。

3.4 开关磁阻电机驱动系统及其调节方法

开关磁阻电机也称SRM，它的主要部件是转子、定子和电子开关。SRM是一种新型电动机。开关磁阻电机能够满足电动汽车四象限的运行要求，具有散热性好，成本低等优点。

开关磁阻电机转子上没有绕组和永磁体，因此它的结构是四种电机中最坚固的。但是，由于开关磁阻电动机工作时电压的阶跃性变化，电流和径向力会产生突变进而产生很大的脉动。由于电机的设计和装配问题使其在工作时会产生噪声和振动，转矩脉动严重。APC、CCC和VC是开关磁阻电机的主要控制方法。

4 燃料电池电动汽车电机控制技术发展趋势

就当前控制技术的发展状况来看，自适应控制技术和神经网络控制技术等控制技术正在不断地应用到驱动电机的控制技术上去。为了满足电动汽车的各项性能要求驱动电机的控制技术将向着电机控制的智能化和数字化方向发展。

电机控制的智能化是各个不同领域的发展方向，未来像神经网络等这些非线性的智能控制技术都会大面积的应用到驱动电机的控制系统中去，智能化的水平将会越来越高。

电机控制的数字化，计算机的持续快速发展，使得目前只应用在微机上的控制芯片等会逐渐应用到驱动电机的控制系统。电机控制的数字化能够实现自我保护和自我诊断等功能，因此数字化是当前电动汽车驱动电机控制的发展趋势。

参考文献：

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[6] 罗龙飞，袁守华.电动汽车驱动电机及其控制系统应用概述[J].汽车实用技术，2014（4）.

作者简介：

刘俊骏（1994-），女，汉族，四川犍为人，本科，西华大学，研究方向：汽车设计与制造；

宋雨茜（1994-），女，汉族，四川眉山人，本科，西华大学，研究方向：汽车设计与制造；

欧俊阳（1994-），男，汉族，四川渠县人，本科，西华大学，研究方向：汽车电子技术。