電動車驅(qū)動電機及其控制技術(shù)綜述

摘要：簡述了電動車驅(qū)動系統(tǒng)及特點，在此基礎(chǔ)上詳細(xì)分析并比較了電動車主要電氣驅(qū)動系統(tǒng)，著重介紹了一種深埋式永磁同步電動機及其控制系統(tǒng)，最后簡要概述了電動車電氣驅(qū)動系統(tǒng)的發(fā)展方向。性和競爭力，而且能夠更方便地采用現(xiàn)代控制技術(shù)實現(xiàn)其機電一體化的目標(biāo)，因而具有廣闊的發(fā)展前景。現(xiàn)有電動車大致可以分為以下幾個主要部分：蓄電池、電池管理、充電系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、整車管理系統(tǒng)及車體等。驅(qū)動系統(tǒng)為電動車提供所需的動力，負(fù)責(zé)將電能轉(zhuǎn)換成機械能。無論何種電動車的驅(qū)動系統(tǒng)，均具有基本相同的結(jié)構(gòu)，都可以分成能源供給子系統(tǒng)、電氣驅(qū)動子系統(tǒng)、機械傳動子系統(tǒng)三部分，其中電氣驅(qū)動子系統(tǒng)是電動車的心臟，主要包括電動機、功率電子元器件及控制部分。如圖1所示。其中，電動車驅(qū)動系統(tǒng)均具有相同或相似的功能模塊，如圖2所示。統(tǒng)實質(zhì)上主要就是對不同電動機及其控制方式進(jìn)行比較和分析。目前正在應(yīng)用或開發(fā)的電動車電動機主要有直流電動機、感應(yīng)電動機、永磁無刷電動機、開關(guān)磁阻電動機四類。由這四類電動機所組成的驅(qū)動系統(tǒng)，其總體比較如下表所示。下面分別對這幾種電氣驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)行較為詳細(xì)地分析和闡述。仍是國內(nèi)外的主要研發(fā)對象。而且，目前國內(nèi)用于電動車的絕大多數(shù)是直流驅(qū)動系統(tǒng)。用，其換向器維護困難，很難向大容量、高速度發(fā)展。此外，電火花產(chǎn)生的電磁干擾，對高度電子化的電動汽車來說將是致命的。此外，直流電動機價格高、體積和重量大。隨著控制理論和電力電子技術(shù)的發(fā)展，直流驅(qū)動系統(tǒng)與其它驅(qū)動系統(tǒng)相比，已大大處于劣勢。因此，目前國外各大公司研制的電動車電氣驅(qū)動系統(tǒng)已逐漸淘汰了直流驅(qū)動系統(tǒng)。（1）穩(wěn)定運行時，與一般感應(yīng)電動機工況相似。（2）驅(qū)動電動機沒有一般感應(yīng)電動機的起動過程，轉(zhuǎn)差率小，轉(zhuǎn)子上的集膚效應(yīng)不明顯。（4）采用變頻調(diào)速方式時，轉(zhuǎn)速與極數(shù)之間沒有嚴(yán)格對應(yīng)關(guān)系。為此，電動車感應(yīng)電動機設(shè)計方面如下特點：量減小定轉(zhuǎn)子之間的氣隙，同時減小漏抗。（2）更注重電動機的電磁優(yōu)化設(shè)計，使轉(zhuǎn)矩、功率和效率等因素達(dá)到綜合最優(yōu)。（3）減少重量、體積，以增加與車體的適配性。應(yīng)用于感應(yīng)電動機的變頻控制技術(shù)主要有三種：v/f控制、轉(zhuǎn)差頻率控制、矢量控制。20研制的電動車感應(yīng)電動機幾乎都采用矢量控制技術(shù)。矢量控制按其側(cè)重點不同，主要有兩種控制策略：提高驅(qū)動系統(tǒng)效率的最大效率控制與簡化系統(tǒng)、降低成本的無速度傳感器矢量控制。最大效率控制技術(shù)是通過使勵磁電流io隨電動機參數(shù)和負(fù)載條件而變化來實現(xiàn)在任何負(fù)載條件下都使電動機的損耗最小，效率最大的目標(biāo)。算出速度，從而無需一般矢量控制中的速度傳感器，達(dá)到簡化系統(tǒng)、降低成本、提高可靠性的目的。永磁無刷電動機系統(tǒng)可以分為兩類，一類是方波驅(qū)動的無刷直流電動機系統(tǒng)（bdcm另一類是永磁同步電動機系統(tǒng)（pmsm也稱之為正弦波驅(qū)動的無刷直流電動機系統(tǒng)系統(tǒng)不需要絕對位置傳感器，一般采用霍爾元件或增量式碼盤，也可以通過檢測反電動勢同位置的結(jié)構(gòu)上看，永磁無刷電動機可以分成表面型、鑲嵌型、深埋式等結(jié)構(gòu)型式，在電動汽車中也有采用盤式結(jié)構(gòu)或外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的。電動車應(yīng)用領(lǐng)域倍受青睞，是當(dāng)前電動車電動機研發(fā)的熱點。用在電動車上的永磁同步電動機是將磁鐵插入轉(zhuǎn)子內(nèi)部，得到同步旋轉(zhuǎn)的磁極深埋式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)如圖3所示，這種電動具有顯著的優(yōu)點：磁體也不會飛散，為此就使設(shè)計10000r/min以上的超高速電動機成為可能。（2）對于要求的最大轉(zhuǎn)矩而言，采用圖3所示的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，永磁電動機能做得更小?？傊亓康陌俜直入S電動機極數(shù)增加而減少的變化曲線?？刂埔彩怯行У摹Ｒ陨显O(shè)計不僅考慮了電動機的特性，還考慮了電動機的控制方法及使用方法，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、性能穩(wěn)定，是目前電動車的優(yōu)選驅(qū)動系統(tǒng)。永久磁鐵的無刷電動機，它的定子磁極和轉(zhuǎn)子磁極都是凸的。由于srm具有集中的定子繞轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)高效運行、控制靈活、可四象限運行、響應(yīng)速度快、成本較低等優(yōu)點。但srm有轉(zhuǎn)矩波動大、噪聲大、需要位置檢測器、系統(tǒng)非線性特性等缺點，所以，目前應(yīng)用還受到限制。針對傳統(tǒng)srm的缺點，研制了永磁式開關(guān)磁阻電動），增加了電機的比功率密度。統(tǒng)。目前主要利用模糊邏輯控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等。香港大學(xué)開發(fā)的模糊滑?？刂凭哂袦p少控制振蕩等優(yōu)點，是srm系統(tǒng)控制研究的一個新的突破。20世紀(jì)80年代以來，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，交流電動機折控制變此，電動車的電氣驅(qū)動系統(tǒng)從直流電動機轉(zhuǎn)向交流電動機，特別是感應(yīng)電動機具有結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高、成本低的優(yōu)點，對于電動車來說是特別可貴的。但永磁電動機除有以上優(yōu)點外，還在轉(zhuǎn)換效率方面又較感應(yīng)電動機稍勝一疇。轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)高效運行等特點，作為具有潛力的電動車電氣驅(qū)動系統(tǒng)日益受到重視。但其轉(zhuǎn)矩脈動大，噪聲大等缺點一直未得到很好解決，如何從電機設(shè)計和控制策略兩方面加以改進(jìn)是現(xiàn)在的研究熱點。研究與應(yīng)用的熱點。但永磁電動機也有制成后難以調(diào)節(jié)磁場以控制功率因素和無功功率的缺點，這將成為今后的研究方向。也更牢固，更適于電動車所用。逐漸應(yīng)用于電動車驅(qū)動系統(tǒng)中，并取得越來越好的效果。驅(qū)動電機是電動汽車的關(guān)鍵部件，直接影響整車的主要包括直流電機和交流電機。目前電動汽車廣泛使用交流電機，主要包括：異步電機、開關(guān)磁阻電機和永磁電機（包括無刷直流電機和永磁同步電機）。各類型電功率密度、高效率、高可靠性等優(yōu)點。我國具有世界最為豐富的稀土資性能永磁電機是我國車用驅(qū)動電機的重要發(fā)展方向。數(shù)字化，提高了電機系統(tǒng)的控制精度，有效減小了系統(tǒng)體積。(3)電機系統(tǒng)集成化：通過機電集成（電機與發(fā)動機集成或電機與變速箱集成）和控制器集成，有利于減小驅(qū)動系統(tǒng)的重量和體積，可有效降低系統(tǒng)制造成本。近年來美、歐開發(fā)的電動客車多采用交流異步電機，國外典型產(chǎn)品轉(zhuǎn)速可達(dá)基速的2～2.5倍。汽車驅(qū)動電機概況見表3。(1)交流異步電機驅(qū)動系統(tǒng)我國已建立了具有自主知的開發(fā)平臺，形成了小批量生產(chǎn)的開發(fā)、制造、試驗及服務(wù)體系；產(chǎn)品足整車需求，大功率異步電機系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于各類電動客車；通過示規(guī)模市場化應(yīng)用，產(chǎn)品可靠性得到了初步驗證。品，可應(yīng)用于各類電動汽車；產(chǎn)品部分技術(shù)指標(biāo)接近國際先進(jìn)水平，但國外仍有一定差距；基本具備永磁同步電機集成化設(shè)計能力；多數(shù)公司模試制生產(chǎn)，少數(shù)公司已投資建立車用驅(qū)動電機系統(tǒng)專用生產(chǎn)線。電機轉(zhuǎn)子磁體先裝配后充磁的整體充磁技術(shù)。國內(nèi)研制的釹鐵硼永磁體磁性材料，其成本占電機本體的20%左右，其出0.27mm硅鋼片用于車用電機，我國僅開發(fā)出0.35mm硅鋼片?；静捎眠M(jìn)口產(chǎn)品，我國部分公司已具備旋轉(zhuǎn)變壓器的研發(fā)生產(chǎn)能力，但產(chǎn)品精度、究階段。(2)我國車用電機的機電集成水平與國外差距較大。控制器集成度較低，體積、重量相對偏大。造成產(chǎn)品可靠性、一致性差。產(chǎn)業(yè)化規(guī)模較小，成本較高。型電機系統(tǒng)采用同一檢測標(biāo)準(zhǔn)，缺乏可靠性、耐久性評價方法等。整車控制器的開發(fā)包括軟、硬件設(shè)計。核心軟件一般由整層驅(qū)動軟件可選擇由汽車零部件廠商提供。(1)國外整車控制器技術(shù)趨于成熟國外大部分汽車企足，控制策略成熟度高，整車節(jié)油效果良好，控制器產(chǎn)品通過市場檢驗靠性。(2)汽車電子零部件企業(yè)積極開展整車控制器研發(fā)和生產(chǎn)制造。各汽車電子零部件巨頭，如德爾福、大陸、博世集團都紛紛進(jìn)行整商、部件供應(yīng)商及電子、半導(dǎo)體和軟件系統(tǒng)公司，聯(lián)合建立了汽車開放具有復(fù)用性，是控制器開發(fā)的一個趨勢。大學(xué)、北京理工大學(xué)等，目前已初步掌握了整車控制器的軟、硬件開發(fā)能力。產(chǎn)品功能較為完備，基本可以滿足電動汽車需求，已經(jīng)應(yīng)用到樣車及小批量產(chǎn)品上。部相關(guān)技術(shù)和經(jīng)驗，增強自主開發(fā)能力。目前各廠家基本掌握整車控制器開發(fā)技術(shù)，但技術(shù)積累有限，水平參差不齊。我國控制器硬件水平與國外存在一定差距，產(chǎn)業(yè)化能力相對不足。推出量產(chǎn)電動汽車產(chǎn)品時更傾向于選擇國外整車控制器硬件供應(yīng)商。另基礎(chǔ)硬件、開發(fā)工具等基本依賴進(jìn)口?？傮w來講，控制器產(chǎn)品技術(shù)水平和產(chǎn)業(yè)化能力與國外仍有較大差距。控功能均有待優(yōu)化和提高?？刂破髟O(shè)計水平。和軟件，普遍使用通用開發(fā)工具進(jìn)行二次開發(fā)；現(xiàn)有工具偏重于前期開于生產(chǎn)制造和售后服務(wù)的工具，不利于產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。薄弱，制造能力較差，可靠性和穩(wěn)定性仍有很大的提升空間。作者：周偉，徐國卿，王曉東，張舟云時間：2007-01-10來源:摘要：分析了IGBT模塊門極特性以及IGBT驅(qū)動電源在隔離、功率及溫度等方面的特殊要求。提出了一種利用進(jìn)行了實驗驗證。絕緣柵極雙極晶體管（IGBT）作為新一代全控型電殊之處，本文針對電動汽車用電機驅(qū)動器IGBT模塊隔離驅(qū)動電源進(jìn)行了分析和研究。IGBT模塊驅(qū)動電源主要取決于IGBT模塊開關(guān)特性和驅(qū)動電路的工作環(huán)境。IGB電源的要求主要有以下幾點。久性損壞。因此，在任何條件下應(yīng)避免大于20V的門極驅(qū)動電壓。開到優(yōu)化的開通性能，一般IGBT開通電壓選擇在15V±10%范圍內(nèi)。dv/dt的抗干擾能力。車用中大功率的IGBT模塊需要更低的關(guān)電壓下開關(guān)會導(dǎo)致dv/dt增加，IGBT柵極會通過柵－源極寄生于多個元胞與內(nèi)部串連的電阻相并聯(lián)而成，即使其柵極外部端子非常短，米勒效應(yīng)也會導(dǎo)致電時，IGBT芯片門極電壓升高?？偭康暮瘮?shù)，驅(qū)動電源為IGBT模塊提供的平）；QG——門充電總量（C），此數(shù)值可以從IGBT數(shù)據(jù)手冊中門極充電曲fs——開關(guān)頻率（Hz）。Ps=Iavs×ΔVG...........）；）；ΔVG——開關(guān)電壓壓差（V）。驅(qū)動功率可達(dá)數(shù)瓦。IGBT模塊柵極具有電容效益，雖然其平均驅(qū)動功率動電流。理想情況下，峰值電流可以用下式估算（輸出阻抗和電感忽略不計）：IG(peak)=ΔVG÷RG........）；）；RG——柵極驅(qū)動電阻(Ω)。際峰值電流一般小于這個值，因為電流高處的部分一般不是真實的。然而使設(shè)計的驅(qū)動峰值電流接近算的最大電流值，對于驅(qū)動電路高效工作非常有利。臂開關(guān)器件的電位隨著器件開關(guān)而變化，因此驅(qū)動電源必須具有隔離控制電路與功率電路的能力。電氣隔離信的dv/dt抑制能力。與此同時，因為車上繼電器等干擾源很多，驅(qū)動電源還應(yīng)該具有抗外來電磁干擾的能力。高；另一方面電機驅(qū)動器體積小、IGBT模塊的功耗以及驅(qū)動電源本身的功耗進(jìn)一步提高了驅(qū)動器的內(nèi)部溫度。減小開關(guān)損耗。再次是使用工業(yè)級或軍用級耐高溫器件，減小溫度對器件的影響。構(gòu)簡單、性能價格比高、控制簡單、多繞組交叉調(diào)整等優(yōu)點。在車用中低功率電機驅(qū)動器中，反激電耦能夠制作出性能可靠、性價比高的IGBT模塊驅(qū)動電路。給出了反激電源從設(shè)計到生產(chǎn)的全部步驟。在設(shè)計中需要特別關(guān)注磁性器件的設(shè)計和熱分析與要考慮到上述分析中提到的車用IGBT模塊對電源的特殊要求。變壓器如果設(shè)計不當(dāng)，會產(chǎn)生電壓尖峰，不僅影響電源工作壽命，還會造成電源電壓交叉調(diào)整開關(guān)損耗加大，甚至造成IGBT損壞。針對IGBT驅(qū)動電方法，反饋繞組可以采用多組并聯(lián)方法。在諸如IPM對于電源電壓要穩(wěn)壓器件。這樣可以提供較大的瞬時峰值電流，加快開通時間，減小開通損耗。在IGBT模塊的應(yīng)用中,特別是中大功率IGBT模塊,每一個小母線寄生電感的影響。這些相互獨立的驅(qū)動電源來自于反激變壓器的各個繞組,繞組間寄生電容無