电动车驱动电机及其控制技术综述

电动车驱动电机及其控制技术综述
摘要：简述了电动车驱动系统及特点，在此基础上全面分析并比较了电动车要紧电气驱动系统，着重介绍了一种深埋式永磁同步电动机及其操纵系统，最后简要概述了电动车电气驱动系统的进展方向。

1 概述
电动车是一种安全、经济、清洁的绿色交通工具，不仅在能源、环境方面有其特殊的优越性与竞争力，而且能够更方便地使用现代操纵技术实现其机电一体化的目标，因而具有广阔的进展前景。

现有电动车大致能够分为下列几个要紧部分：蓄电池、电池管理、充电系统、驱动系统、整车管理系统及车体等。

驱动系统为电动车提供所需的动力，负责将电能转换成机械能。

不管何种电动车的驱动系统，均具有基本相同的结构，都能够分成能源供给子系统、电气驱动子系统、机械传动子系统三部分，其中电气驱动子系统是电动车的心脏，要紧包含电动机、功率电子元器件及操纵部分。

如图1所示。

其中，电动车驱动系统均具有相同或者相似的功能模块，如图2所示。

2 电动车电气驱动系统比较
电动机的类型对电气驱动系统与电动车整体性能影响非常大，评价电动车的电气驱动系统实质上要紧就是对不一致电动机及其操纵方式进行比较与分析。

目前正在应用或者开发的电动车电动机要紧有直流电动机、感应电动机、永磁无刷电动机、开关磁阻电动机四类。

由这四类电动机所构成的驱动系统，其总体比较如下表所示。

电动车电气驱动系统用电动机比较表
下面分别对这几种电气驱动系统进行较为全面地分析与阐述。

2.1 直流驱动系统
直流电动机结构简单，具有优良的电磁转矩操纵特性，因此直到20世纪80年代中期，它仍是国内外的要紧研发对象。

而且，目前国内用于电动车的绝大多数是直流驱动系统。

但普通直流电动机的机械换向结构易产生电火花，不宜在多尘、潮湿、易燃易爆环境中使用，其换向器保护困难，很难向大容量、高速度进展。

此外，电火花产生的电磁干扰，对高度电子化的电动汽车来说将是致命的。

此外，直流电动机价格高、体积与重量大。

随着操纵理论与电力电子技术的进展，直流驱动系统与其它驱动系统相比，已大大处于劣势。

因此，目前国外各大公司研制的电动车电气驱动系统已逐步淘汰了直流驱动系统。

2.2 感应电动机驱动系统
2.2.1 感应电动机
电动车感应电动机与通常感应电动机相比较具有下列特征：
（1）稳固运行时，与通常感应电动机工况相似。

（2）驱动电动机没有通常感应电动机的起动过程，转差率小，转子上的集肤效应不明显。

（3）运行频率不是50hz，而是远远在此之上。

（4）使用变频调速方式时，转速与极数之间没有严格对应关系。

为此，电动车感应电动机设计方面如下特点：
（1）尽力扩大恒转矩区，使电动机在高速运转时也能有较高转矩。

而要提高转矩，则需尽量减小定转子之间的气隙，同时减小漏抗。

（2）更注重电动机的电磁优化设计，使转矩、功率与效率等因素达到综合最优。

（3）减少重量、体积，以增加与车体的适配性。

2.2.2 操纵技术
应用于感应电动机的变频操纵技术要紧有三种：v/f操纵、转差频率操纵、矢量操纵。

20世纪90年代往常要紧以pwm方式实现v/f操纵与转差频率操纵，但这两种操纵技术因转速操纵范围小，转矩特性不理想，而关于需频繁起动、加减速的电动车不太适宜。

近几年
来，研制的电动车感应电动机几乎都使用矢量操纵技术。

矢量操纵按其侧重点不一致，要紧有两种操纵策略：提高驱动系统效率的最大效率操纵与简化系统、降低成本的无速度传感器矢量操纵。

最大效率操纵技术是通过使励磁电流io随电动机参数与负载条件而变化来实现在任何负载条件下都使电动机的损耗最小，效率最大的目标。

矢量操纵离不开速度的操纵，而无速度传感器是利用电动机电压、电流与电动机参数来估算出速度，从而无需通常矢量操纵中的速度传感器，达到简化系统、降低成本、提高可靠性的目的。

2.3 永磁无刷电动机驱动系统
2.3.1 永磁无刷电动机
永磁无刷电动机系统能够分为两类，一类是方波驱动的无刷直流电动机系统（bdcm），另一类是永磁同步电动机系统（pmsm），也称之为正弦波驱动的无刷直流电动机系统。

bdc m系统不需要绝对位置传感器，通常使用霍尔元件或者增量式码盘，也能够通过检测反电动势波形换相。

pmsm系统通常需要绝对式码盘或者旋转变压器等转子位置传感器。

从磁铁所处不一致位置的结构上看，永磁无刷电动机能够分成表面型、镶嵌型、深埋式等结构型式，在电动汽车中也有使用盘式结构或者外转子结构的。

深埋式永磁同步电动机因其有高的功率密度、有效的弱磁操纵及方便的最大效率操纵而在电动车应用领域倍受青睐，是当前电动车电动机研发的热点。

用在电动车上的永磁同步电动机是将磁铁插入转子内部，得到同步旋转的磁极深埋式转子结构如图3所示，这种电动机在结构设计方面要紧有两个特征：①转子磁铁使用埋入式；②使用多极化设计。

这种设计具有显著的优点：
（1）与将永磁体贴在转子表面的情况相比，将永磁体植入转子内部，则即使高速旋转，永磁体也不可能飞散，为此就使设计10000r/min以上的超高速电动机成为可能。

（2）关于要求的最大转矩而言，使用图3所示的转子结构，永磁电动机能做得更小。

（3）电机多极化设计也是降低成本的有效手段。

图4表示了电动机永久磁铁用量占电动机总重量的百分比随电动机极数增加而减少的变化曲线。

2.3.2 深埋式永磁同步电动机的操纵技术
深埋式永磁同步电动机操纵系统的构成如图5所示。

与通常电动机的操纵系统多为速度操纵系统或者位置操纵系统不一致，电动车是由加速器与操纵器共同决定的转矩指令来操纵电机。

由于转矩由电流决定，因此实际上构成了一个电流操纵系统。

应用转矩指令与电动机转速，通过独立增减d轴电流与q轴电流进行电流操纵，就能使电动机与逆变器的综合缺失最小，继而提高电动车驱动系统的效率。

d轴电流指令为负，就意味着进行弱磁调节，因此，弱磁操纵也是有效的。

以上设计不仅考虑了电动机的特性，还考虑了电动机的操纵方法及使用方法，系统结构紧凑、性能稳固，是目前电动车的优选驱动系统。

2.4 开关磁阻电动机驱动系统
2.4.1 开关磁阻电动机
目前，开关磁阻电动机（srm）已投入实际使用，法国f1at公司研制的电动车与中国第二汽车制造厂研制的电动客车都曾使用了开关磁阻电动机。

srm是没有任何形式的转子导体与永久磁铁的无刷电动机，它的定子磁极与转子磁极都是凸的。

由于srm具有集中的定子绕组与脉冲电流，其功率变换器能够使用更可靠的电路拓扑形式。

srm具有简单可靠、在较宽转速与转矩范围内高效运行、操纵灵活、可四象限运行、响应速度快、成本较低等优点。

但srm有转矩波动大、噪声大、需要位置检测器、系统非线性特性等缺点，因此，目前应用还受到限制。

针对传统srm的缺点，研制了永磁式开关磁阻电动机驱动系统（pmsrd），通过高性能永磁钢的引入，克服了传统srm存在的换流相对较慢、能量利用率较低的缺点，增加了电机的比功率密度。

2.4.2 操纵技术
由于srm系统具有明显的非线性特性，系统难于建模，通常的线性操纵方式不适于sr m系统。

目前要紧利用模糊逻辑操纵、神经网络操纵等。

香港大学开发的模糊滑模操纵具有
减少操纵振荡等优点，是srm系统操纵研究的一个新的突破。

3 结速语
20世纪80年代以来，随着电力电子技术的进展，交流电动机折操纵变得比较容易了。

为此，电动车的电气驱动系统从直流电动机转向交流电动机，特别是感应电动机具有结构紧凑、可靠性高、成本低的优点，关于电动车来说是特别可贵的。

但永磁电动机除有以上优点外，还在转换效率方面又较感应电动机稍胜一畴。

开关磁阻电动机具有结构简单、操纵灵活、可四象限运动、可靠性高、能在较宽的速度与转矩范围内高效运行等特点，作为具有潜力的电动车电气驱动系统日益受到重视。

但其转矩脉动大，噪声大等缺点一直未得到很好解决，如何从电机设计与操纵策略两方面加以改进是现在的研究热点。

永磁电动机电气驱动系统以转速更高（德国kovo电技术公司已研制出转速达50000r/ min、功率达1.5kw的无刷电动机）、用磁更省、能够实现转子轻小紧凑、低成本化设计而成为研究与应用的热点。

但永磁电动机也有制成后难以调节磁场以操纵功率因素与无功功率的缺点，这将成为今后的研究方向。

在操纵器件方面，应用新一代功率电子器件，可使变频器有更高的功率密度与效率，结构也更牢固，更适于电动车所用。

在操纵策略方面，变结构操纵、模糊操纵、神经网络操纵与专家系统等新的操纵方法正逐步应用于电动车驱动系统中，并取得越来越好的效果。

中国电动汽车驱动电机及操纵器行业分析驱动电机及其操纵器
1. 驱动电机类型及其进展
驱动电机是电动汽车的关键部件，直接影响整车的动力性及经济性。

驱动电机要紧包含直流电机与交流电机。

目前电动汽车广泛使用交流电机，要紧包含：异步电机、开关磁阻电机与永磁电机（包含无刷直流电机与永磁同步电机）。

各类型电机要紧特点见表1。

车用电机的进展趋势如下：(1)电机本体永磁化：永磁电机具有高转矩密度、高功率密度、高效率、高可靠性等优点。

我国具有世界最为丰富的稀土资源，因此高性能永磁电机是我国车用驱动电机的重要进展方向。

(2)电机操纵数字化：专用芯片及数字信号处理器的出现，促进了电机操纵器的数字化，提高了电机系统的操纵精度，有效减小了系统体积。

(3)电机系统集成化：通过机电集成（电机与发动机集成或者电机与变速箱集成）与操纵器集成，有利于减小驱动系统的重量与体积，可有效降低系统制造成本。

2. 国外进展情况根据国外资料介绍
近年来美、欧开发的电动客车多使用交流异步电机，国外典型产品技术参数请见表2。

为了降低车重，电机壳体大多使用铸铝材料，电机恒功率范围较宽，最高转速可达基速的2～2.5倍。

日本近年来问世的电动汽车大多使用永磁同步电机。

产品功率等级覆盖3～123kW，电机恒功率范围很宽，最高转速可达基速的5倍。

日本近几年开发的电动汽车驱动电机概况见表3。

3. 我国进展现状
(1)交流异步电机驱动系统我国已建立了具有自主知识产权异步电机驱动系统的开发平台，形成了小批量生产的开发、制造、试验及服务体系；产品性能基本满足整车需求，大功率异步电机系统已广泛应用于各类电动客车；通过示范运行与小规模市场化应用，产品可靠性得到了初步验证。

(2)开关磁阻电机驱动系统已形成优化设计与自主研发能力，通过合理设计电机结构、改进操纵技术，产品性能基本满足整车需求；部分公司已具备年产2000套的生产能力，能满足小批量配套需求，目前部分产品已配套整车示范运行，效果良好。

(3)无刷直流电机驱动系统国内企业通过合理设计及改进操纵技术，有效提高了无刷直流电机产品性能，基本满足电动汽车需求；已初步具有机电一体化设计能力。

(4)永磁同步电机驱动系统已形成了一定的研发与生产能力，开发了不一致系列产品，可应用于各类电动汽车；产品部分技术指标接近国际先进水平，但总体水平与国外仍有一定差距；基本具备永磁同步电机集成化设计能力；多数公司仍处于小规模试制生产，少数公司已投资建立车用驱动电机系统专用生产线。

(5)永磁电机材料永磁电机的要紧材料有钕铁硼磁钢、硅钢等。

部分公司掌握了电机转子磁体先装配后充磁的整体充磁技术。

国内研制的钕铁硼永磁体最高工作温度可达280℃，但技术水平仍与德国与日本有较大差距。

硅钢是制造电机铁芯的重要磁性材料，其成本占电机本体的20%左右，其厚度对铁耗有较大影响，日本已生产出0.27mm硅钢片用于车用电机，我国仅开发出0.35mm硅钢片。

(6)电机操纵器关键部件电机操纵器用位置／转速传感器多为旋转变压器，目前基本使用进口产品，我国部分公司已具备旋转变压器的研发生产能力，但产品精度、可靠性与国外仍有差距。

IGBT基本依靠进口，价格昂贵，国产车用IGBT尚处于研究阶段。

4. 我国驱动电机及其操纵器存在的要紧问题
(1)电机原材料、操纵器核心部件研发能力较弱，依靠进口，如硅钢片、电机高速轴承、位置／转速传感器、IGBT模块等。

进口产品成本高，影响电机系统产业化。

(2)我国车用电机的机电集成水平与国外差距较大。

操纵器集成度较低，体积、重量相对偏大。

(3)我国车用电机系统尚处于起步阶段，制造工艺水平落后，缺乏自动化生产线，造成产品可靠性、一致性差。

产业化规模较小，成本较高。

(4)现阶段国家出台的电动汽车驱动电机系统标准较少，且不完善。

如：不一致类型电机系统使用同一检测标准，缺乏可靠性、耐久性评价方法等。

整车操纵器
1. 国外进展情况
整车操纵器的开发包含软、硬件设计。

核心软件通常由整车厂研发，硬件与底层驱动软件可选择由汽车零部件厂商提供。

(1)国外整车操纵器技术趋于成熟国外大部分汽车企业在电动汽车领域积存充足，操纵策略成熟度高，整车节油效果良好，操纵器产品通过市场检验证实了其可靠性。

(2)汽车电子零部件企业积极开展整车操纵器研发与生产制造。

各汽车电子零部件巨头，如德尔福、大陆、博世集团都纷纷进行整车操纵器研发与生产。

部分汽车设计公司也为整车厂提供整车操纵器技术方案，如AVL、FEV、RICARDO等，在电动汽车整车操纵器领域也有很多成功的案例。

(3)操纵器日趋标准化操纵器的标准化已引起有关企业的关注。

由全球汽车制造商、部件供应商及电子、半导体与软件系统公司，联合建立了汽车开放系统架构联盟，形成了AUTOSAR（汽车开放系统架构）标准，简化了开发流程并使ECU软件具有复用性，是操纵器开发的一个趋势。

2. 我国进展现状
“863”计划中我国整车操纵器要紧是以高校为依托进行研究，如清华大学、同济大学、北京理工大学等，目前已初步掌握了整车操纵器的软、硬件开发能力。

产品功能较为完备，基本能够满足电动汽车需求，已经应用到样车及小批量产品上。

部分整车企业与国外公司进行合作，如FEV、RICARDO。

通过联合开发，汲取国外有关技术与经验，增强自主开发能力。

目前各厂家基本掌握整车操纵器开发技术，但技术积存有限，水平参差不齐。

我国操纵器硬件水平与国外存在一定差距，产业化能力相对不足。

大部分企业推出量产电动汽车产品时更倾向于选择国外整车操纵器硬件供应商。

另外，操纵器基础硬件、开发工具等基本依靠进口。

总体来讲，操纵器产品技术水平与产业化能力与国外仍有较大差距。

3. 我国整车操纵器存在的要紧问题
(1)应用软件方面多数停留在功能实现，软件诊断功能、整车安全操纵策略、监控功能均有待优化与提高。

(2)我国电动汽车处于样车研发与示范运行阶段，基础数据库不完善，影响整车操纵器设计水平。

(3)部分企业能根据V型开发流程（一种软件与产品开发工具）引进有关的设备与软件，普遍使用通用开发工具进行二次开发；现有工具偏重于前期开发，缺少用于生产制造与售后服务的工具，不利于产品的产业化进展。

(4)国内企业能够完成整车操纵器硬件结构设计，但由于我国芯片集成力量比较薄弱，制造能力较差，可靠性与稳固性仍有很大的提升空间。

(5)目前各整车企业操纵器接口与网络通讯协议定义互不相同，造成操纵器之间的通用性与复用性差，不利于操纵器的产业化与规
电动汽车用电机驱动器IGBT模块驱动电源
引言
绝缘栅极双极晶体管（IGBT）作为新一代全控型电力电子器件,在交流变频器,伺服驱动器,大功率开关电源,电子逆变焊机,不间断电源（UPS）等设备上得到了广泛的应用。

IGBT模块利用电压驱动，具有驱动功率小，饱与导通电压低，工作可靠等优点。

驱动电源对保证IGBT工作的可靠性起着关键性作用。

关于用于汽车电机驱动器中的IGBT模块，对其驱动电源的要求既与通用变频器IGBT模块驱动电源有相同点，又因其应用环境不一致而有特殊之处，本文针对电动汽车用电机驱动器IGBT模块隔离驱动电源进行了分析与研究。

电动汽车用电机驱动器IGBT模块对驱动电源的要求
IGBT模块驱动电源要紧取决于IGBT模块开关特性与驱动电路的工作环境。

IGBT模块的开关特性与对驱动电源的要求要紧有下列几点。

导通电压
由于IGBT栅极特点，门极驱动电压通常小于20V。

导通电压高于20V会导致门极二极管击穿，并造成器件永久性损坏。

因此，在任何条件下应避免大于20V的门极驱动电压。

开通IGBT所需最低电平由器件的跨导（增益）与器件的开关损耗决定。

尽管10V的门极电压足够开通IGBT，但是使用10V的门极开通电压并不能使IGBT 高效率开关。

由于门极电压通过门极串联的电阻以指数速率充电，需要花很长一段时间才能达到10V。

为了得到优化的开通性能，通常IGBT开通电压选择在15V±10%范围内。

关断电压
为了保证IGBT模块可靠关断，至少需要－5V的偏置关断电压。

使用负关断偏置电压有利于减小开关损耗与对dv/dt的抗干扰能力。

车用中大功率的IGBT模块需要更低的关断偏置电压。

首先，中大功率IGBT模块在更高电压下开关会导致dv/dt增加，IGBT栅极会通过栅－源极寄生电容耦合开关噪声；其次，大功率IGBT模块由于多个元胞与内部串连的电阻相并联而成，即使其栅极外部端子非常短，米勒效应也会导致电流流过内部
电阻时，IGBT芯片门极电压升高。

门极驱动功率
当IGBT模块开关工作时，模块所需能量来自于驱动电源。

开关所需能量是开关频率、开关偏置电压与门极充电总量的函数，驱动电源为IGBT模块提供的平均驱动电流为：
I avs=QG×f s (1)
式中：I avs——平均驱动电流（A）；
QG——门充电总量（C），此数值能够从IGBT数据手册中门极充电曲线上获得；
f s——开关频率（Hz）。

图1给出了三菱1200V/600AF系列IGBT模块门极充电曲线，从曲线上能够得出门极电压0~15V时门极充电总量为6500nC，0~－15V时过渡充电总量为4000nC，(将门极充电曲线反向延长，即可得到负向充电曲线)。

因而能够得到门充电总量为8500nC。

当开关频率为10kHz，驱动电源电压为±15V，驱动电源需要的平均电流则为85mA。

门极所需驱动电源提供的总的驱动功率能够简化为：
P s=I avs×ΔVG (2)
式中：P s——平均驱动功率（W）；
I avs——平均驱动电流（A）；
ΔVG——开关电压压差（V）。

关于上例能够得出平均驱动功率为2.55W。

车用电机驱动器用IGBT模块平均功率与此相当，关于大功率模块，驱动功率可达数瓦。

峰值驱动电流
IGBT模块栅极具有电容效益，尽管其平均驱动功率很小，但是为了使IGBT模块快速开通，需要很高的峰值驱动电流。

理想情况下，峰值电流能够用下式估算（输出阻抗与电感忽略不计）：
IG(peak)=ΔVG÷RG (3)
式中:IG(peak)——栅极峰值驱动电流（A）；
ΔVG——开关电压压差（V）；
RG——栅极驱动电阻（Ω）。

以三菱IGBT模块1200V/600A为例，RG最小建议值为1Ω。

从上面公式能够得到峰值门极驱动电流为30A，实际峰值电流通常小于这个值，由于电流高处的部分通常不是真实的。

然而使设计的驱动峰值电流接近理论上计算的最大电流值，关于驱动电路高效工作非常有利。

电气隔离能力
车用电机驱动器通常应用全桥电路，具有高电压、大电流等特点。

位于桥臂上的IGBT模块处于浮动地点，上桥臂开关器件的电位随着器件开关而变化，因此驱动电源务必具有隔离操纵电路与功率电路的能力。

电气隔离信号通常通过光电元件或者脉冲变压器来实现。

这种隔离在隔离点须承受在IGBT应用中出现的非常高的电压，大功率IGBT模块甚至高达6500V。

同时隔离绝缘材料抗老化能力也至关重要。

在车用电机驱动器中IGBT的开关频率为几kHz甚至十几kHz，极短的开通与关断时间有利于减小过渡过程中的能量损耗，但这会导致在隔离处输出端的电压变换率高达数kV/μs，因此隔离处务必具有极小的耦合电容，以阻止干扰从输出端传递到操纵端。

干扰耦合到操纵端会导致严重的故障，甚至由于驱动电路缺乏dv/dt噪声抑止力而损坏IGBT，IGBT驱动电源需具有一定功率，以驱动IGBT。

这需要一定物理尺寸的变压器，变压器体积增加又会增加耦合电容，从而影响dv/dt抑制力。

假如设计的驱动板具有比IGBT阻断电压高得多的电压等级，如50kV/μs，那么驱动板就能够提供足够的dv/dt抑制能力。

与此同时，由于车上继电器等干扰源很多，驱动电源还应该具有抗外来电磁干扰的能力。

习惯工作环境温度的能力
车用电机驱动器IGBT务必习惯车上恶劣的温度环境。

一方面汽车零部件工作在相对狭小的环境中，环境温度较高；另一方面电机驱动器体积小、IGBT模块的功耗与驱动电源本身的功耗进一步提高了驱动器的内部温度。

因此，在电源设计中温度参数是设计成败的关键因素之一。

减小温升能够通过下列几方面来实现。

首先是加大设计定额，采取降额使用；其次是优化磁性器件的设计，减小功耗，优化功率器件开关，选用合适的开关频率，减小开关损耗。

再次是使用工业级或者军用级耐高温器件，减小温度对器件的影响。