新能源汽车与电机驱动控制技术

周美玲

（长春汽车工业高等专科学校，吉林 长春 130013）

0 引言

我国早在本世纪初就提出了可持续发展的原则，在提升科学技术水平和居民生活质量的同时，对资源利用和环境危害要在可控范围内，在此核心战略的背景下，能源节约和保护环境成为了重要的民生工程。若将汽车的能源由燃油更换为一种可再生、低排放的新型能源，将更有利于可持续发展战略的推动。近年来已经有越来越多的车企对电能加以利用开发新型能源汽车，油电混合汽车和纯电汽车的技术也已经日渐成熟，逐渐被人们所熟知，市场规模也在逐步扩大中[1]。

1 新能源汽车特点

对于使用者而言，新能源汽车与传统汽车的差异性并不大。目前新能源汽车的操控模式和技术是与传统汽车保持一致的，对于有驾驶技能的人来说新能源汽车并不需要额外的技能学习，也不需要进行相关资质的重新认定。

但是对于汽车相关从业者而言，新能源汽车具有较大差异性。新能源汽车的核心动力系统是与传统汽车有很大区别的，无论是油电混合驱动还是纯电驱动，内部都有一个电动机作为动力输出装置，有蓄电池作为能量的储存装置，在进行组装、维修、保养等工作的过程中，需要引进新的技术才能正常开展相关工作。

在政策上新能源汽车具有更多的扶持，在购车、充电时均有相关补贴和优惠政策，部分地区采取专用停车位、不限号等形式鼓励新能源汽车的购买和使用[2]。

2 新能源汽车核心控制点

2.1 安全性

汽车作为交通运输工具，其服务的对象是人，安全是重要的控制点之一。与传统汽车的安全规定相同，新能源汽车不能因其创新的特性而降低安全标准。对于安全保障，除传统汽车的安全措施之外还应考虑电力安全。新能源汽车的主要动力来源是电池，电池在多次充电放电的条件下能否稳定如一，在长时间高功率使用的情况下散热如何，当环境温度较高时能否保证安全等，这都是新能源汽车相比于传统汽车来说需要进一步考虑的安全指标。

2.2 动力要求

传统汽车的动力源是燃油发动机，根据使用的燃油标号和发动机的内燃形式不同，其提供的动力大小也不同。理论上来说燃油发动机的动力是稳定且强力的，能够保证汽车在多种环境下、多种负载条件下的行进稳定。对于性能型汽车来说，动力稳定且足够是基本要求。在人们对于高质量汽车有较多需求的今天，使用电力作为动力来源还需考虑能否满足人们的需求。对于动力的需求也成为了消费者进行选择时的重要考虑因素，在此方面至少应对标传统汽车的动力标准，不能因环保、创新而牺牲基本使用要求。

2.3 续航能力

汽车作为代步交通工具，续航能力也是很有必要的。传统燃油车并无续航能力的指标要求，其动力来源是燃油，在当今社会加油站已经随处可见，且想提高燃油车的续航，只需简单地增加油箱容量即可达到。对于新能源汽车，其能源补充方式是通过专用的充电设备进行充电，即使未来充电桩已经全面普及和覆盖，但充电的过程需要大量时间。新能源汽车的续航能力不仅仅是单纯提高电池容量，当电池容量过大时不仅仅体积和自重增加，也会带来一定的安全隐患[3]。续航能力也是新能源汽车的核心控制点之一，需要在安全、经济、实用之中找寻平衡。

3 新能源汽车电机驱动控制技术简析

3.1 电力供应和循环

新能源汽车的电力供应采用蓄电池的形式，无法采用电源线持续供电的形式。相比于电网供电，电池供电的电压有前后变化，为了确保汽车有稳定的功率输出，则新能源汽车的电机控制系统必须具有整流正压的功能或有完备的功率控制方案。新能源汽车的动能还要进行循环，当车辆自然下滑或依靠惯性前进时，要合理进行动力回收，以保证能源的高效利用。

3.2 电机选用原则

3.2.1 性能稳定

汽车作为交通运输工具有着载人载物的需求，电机作为动力源来说要具有稳定的输出性能，不仅仅需要带动汽车主体本身，还要考虑满载情况。汽车的设计大都没有承重限制，那么就要求电机性能优异，避免因性能不足造成汽车无法使用的问题。在稳定输出的同时自身也要具有实用性和稳定性，选用电机时决不能以性能强劲为唯一标准，要综合考虑稳定性、经济性等因素。

3.2.2 功率稳定

汽车的应用场景是多样化的，司机独自驾驶或满载人与货物的情况均可能出现，也会行驶于不同的路况坡度，在行驶过程中也会有不同的速度需求。例如在畅通的高速公路，其时速需求可能在120km/h，但在堵车的情况下，其时速可能仅有5km/h。考虑极端情况，在高速场景下，即使汽车满载，也需有达到120km/h时速的能力，这就对功率稳定提出了重要需求。若功率不稳定，在相同的操控之下时快时慢，或因荷载不同造成输出效果不同，都不符合汽车的需求，可能会令使用者面临交通安全隐患。

3.2.3 电磁辐射

电磁辐射对于人体和小型电气设备均有负面影响，交流电机或组合电机在使用的过程中可能产生电磁辐射。过量的电磁辐射不仅对人的身体健康具有危害，对于汽车内的其他电气控件而言也可能引发数据不准确或者失效的问题。故在新能源的电机选用过程中，需注意电磁辐射量是否满足安全标准，是否会对人或设备造成负面影响。对于车企而言，也要选用符合销售地安全标准的电机设备。

3.2.4 经济耐用

汽车作为高价值动产具有经济价值属性，电机作为核心驱动部件，其价值的高低可能对整车价值有决定性影响。在电机选用的过程中，其经济耐用性也是值得思考的。作为汽车的使用者，并不会对汽车内部的技术问题完全掌握，在选用时就要选取稳定的设备类型以减少后期维护和维修的成本。其次还要具有耐用性，作为高价值品，在正常使用情况下应满足人们的心理消费预期时长，不应在短期内产生性能和价值损耗。

3.3 驱动技术与控制技术

在新能源汽车的应用中，大部分采用两相电的形式。根据电流形式的不同，其主要有直流电机驱动和交流电机驱动两种形式，分别被称为直流电动机驱动系统和交流电动机驱动系统。两种驱动形式有着较多差异性，其优缺点也各不相同。直流驱动形式的技术较为成熟，直流电机的成本也比较低，控制简单，对于汽车来说也有着较为方便的调速系统。直流电机的构成中核心部件是电刷和换向器，也是电机中的易损件，需要定期维护。对于汽车来说，在销售出厂后需尽量减少维护，故直流电机在新能源汽车中的应用并不多[4]。经过技术革新后的交流电机相比于直流电机，能源效率高、维护次数少，且具有直流电机的大部分优点。

电机有多种分类形式，在新能源汽车的电机选用中，功率密度是一个很重要的指标，其决定了汽车性能与稳定性。永磁电机因功率密度高，也成为了新能源汽车的重要组成部分。将直流无刷电动机与永磁同步电机相结合，即可得到效率高、体积小、重量轻的驱动系统，其结合了直流电机和交流电机的优点，成为大部分新能源汽车的驱动形式。

开关磁阻电动机驱动系统也是新能源汽车的预选驱动形式之一，能源效率同样较高，且性能非常好。以转子无刷绕组元件为核心的电机系统，能够在多次频繁的正反转当中保持稳定，也能够承受较大的负载冲击。相比于感应电机而言其电路是比较简单的，不易发生电路故障问题。因其开关元件的特殊性，也能适用于较大范围调速的场景之下。

在新能源汽车的应用场景中，对于调控而言主要是加速减速、差速控制、制动，这些需求在电学和动力学中可以简化为对速度和力矩的改变。在进行驱动和改变时的核心目标是提高效率。若驱动系统是直流电机，其操控是比较简单的，一般来说经典直流电机的转速和电流有关，功率与电源总功率有关，在额定功率范围内，电机得到的电流越多，其转速越快，功率符合经典电学规律。交流电机在进行速度调控时需使用矢量控制的方式，因有逆变器的影响，可能在控制过程中还需加入微电脑计算修正的控制形式，综合实施难度较大[5]。

上文中提及的永磁电机控制形式与磁场有关，根据磁场形式的不同分为方波型和正弦波型两种，改变速度的方式为改变频率，频率的改变将直接影响电机的运行速度。目前比较主流的做法是采用PWM斩波控制IGBT逆变器，但该设备可能产生较大的转矩波动，稳定性一般，虽实际应用较少，但也已经在新能源汽车中出现。解决方案是增加电机调节控制模块，能够更精准地控制波形改变时的扭矩，从而提供稳定的频率变化。

4 结语

新能源汽车是时代发展和科学进步的产物，相比于传统汽车使用燃油作为动力源，其对于环境保护和可持续发展是具有重要意义的。为满足汽车对速度、舒适、安全的需求，对于电机的选择十分重要。本文通过对新能源汽车的需求和驱动模式进行分析，从驱动技术与控制技术出发，对于新能源汽车的电机选用和新型驱动系统研发而言是具有参考意义的。