车用电机的发展现状

电动车用电机及其控制技术的现状及趋势

电动汽车是以车载电源为动力，并采用电动机驱动的一种交通工具。电机及其驱动系统是电动汽车的核心部件之一，由于电动汽车在运行过程中频繁起动和加减速操作，对驱动系统的有着很高的要求。生产制造方面要求电机的可靠性好、结构简单、维修方便、成本低、体积小、重量轻；性能方面要求车用电机具有瞬时功率大、过载能力强、范围宽、续驶里程长等优点。

电动汽车的驱动电机按其类型来划分，可分为直流电机和交流电机两大类。直流电机的驱动特性是在基本转速以下运行于恒转矩区，基本转速以上运行于恒功率区。它的这种特性很适合汽车对动力源低速高转矩、高速低转矩的要求，而且直流电机结构简单，易于平滑调速，所以直到20世纪80年代中期，它仍是国内外的主要研发对象。几乎所有早期的电动车都采用直流电机驱动系统。如日本东京大学的UOT电动汽车采用直流串励电动机，意大利菲亚特公司的900E/E2电动汽车用直流他励电动机驱动，日本马自达汽车公司的BANGO 电动汽车则采用直流并励电动机。但是直流电机的效率和转速相对较低，其换向器维护困难，直流电机价格高、体积和重量大。随着控制理论和电力电了技术的发展，直流驱动系统与其它驱动系统相比，己大大处于劣势。因此，目前国外各大公司研制的电动车电气驱动系统己逐渐淘汰了直流驱动系统。

20世纪90年代后，交流电机驱动系统的研制和开发有了新的突破。相比直流电机，交流电机体积小、质量轻、效率高、调速范围宽、可靠性高、价格便宜、维修简单方便，在电动汽车上得到了广泛应用。交流电机包括异步电机、永磁电机以及开关磁阻电机。

美国以及欧洲研制的电动汽车多采用这种电动机，如Chrysler公司生产的Epic Van; Ford 公司生产的Ranger EV，通用汽车公司生产的IMPACT和EH电动汽车。国内也采用感应电动机作为电动汽车的驱动电机也比较多，如胜利SL6700DD电动客车，郑州华联ZK6820HG-1电动轻型客车。但其最大缺点是驱动电路复杂，相对永磁电机而言，其效率和功率密度偏低，因此有被其它新型永磁电机逐步取代的趋势。

永磁电机包括永磁无刷直流电机和永磁无刷同步电机两种。永磁无刷直流电机是在直流电机的基础上不再用电刷和换向器，起动转矩大、过载能力强，非常适合电动车的运行特性。香港大学研制的U 2001电动车采用的永磁无刷直流电机，最高车速为110krn/h，本田研制EV PLU S电动车采用的永磁无刷直流电机，最高车速为128krn/h。永磁无刷同步电机的恒转矩区比较长，这对提高汽车的低速动力性能有很大帮助，电机最高转速较高，能达到10 000 r/min。永磁无刷同步电机功率密度高调速性能好、在宽转速范围内运行效率高.它的主要缺点是电机造价较高，永磁材料会有退磁效应，要想增大电机的功率其体积会很大。随着稀土永磁材料的开发和应用，永磁无刷电机的性能有了很大的提高，是未来最有发展前景的驱动电机之一。

开关磁阻电机(SRM )是英国于1983年首次正式推出的，经过多年的研制开发，现己成为现代电动汽车交流驱动的又一个新支，它具有可控相数多、实现四象限控制方便、成本低。开关磁阻电机结构和控制简单、出力大，可靠性高，起动制动性能好，运行效率高，但电机噪声高，转矩脉动严重，非线性严重，在电动汽车驱动中有利有弊，目前在电动汽车应用较少。

上述几种电动机各有自己的优势和不足，并各有侧重，'已们在现有的电动汽车中均有应用，其中，交流异步电机主要应用在纯电动汽车(包括轿车及客车)，永磁同步电机主要应用在混合动力汽车(包括轿车及客车)中，开关磁阻电机目前主要应用在客车中，而以交流异步电动机和永磁直流电动机的应用稍微居多一些。

要想使电机驱动并发挥出其优良的性能必须与合理的控制策略相配合。目前电机的控制

技术有V/F控制、转差频率控制、矢量或磁场定向控制、直接转矩控制、变结构控制以及智能控制如专家系统、模糊逻辑和神经网络等。

早期的变频调速范围小，转矩特性不理想，动态响应差。矢量控制理论比较完善日趋成熟，在线能准确辨识出电机的参数，控制性能已基本满足电动汽车的动力性要求，而且矢量控制策略的方案很多，常见的就有转差频率矢量控制、无速度传感器矢量控制、参数自适应补偿矢量控制等，随着微处理器运算能力愈来愈张，处理复杂算法的实时一性也越来越有保障，其应用范围会更广泛，国内外研制生产的电动汽车几乎全部采用各种类型的矢量控制系统。直接转矩控制方案经过多年的发展，各方面性能都在不断提高，并己进入到实用阶段，国外目前己成功应用于大功率高速电力机车、地铁和城市有轨电车等传动系统中。其中穿越英吉利海峡的高速列车采用的就是直接转矩控制系统。德国和日本在这方面的研究居于领先地位。

变结构控制(VSC)最近也被应用到电动机驱动控制中，系统的动态、静态品质优良，改善了转矩和磁链的脉动大的问题，抖振现象也会得到抑制。香港大学利用模糊逻辑控制(FLC.)和滑模控制(SMC)结合，提出模糊滑模控制(FSMC ) ,实现对SRM控制。

模糊逻辑、神经网络等智能控制方法也被引用到电动机控制中，这些先进的控制策略与传统控制方法相结合来解决复杂问题，使电机的效率得到优化，电机参数的自动测量、自动整定时系统工作在最佳状态。

总之，电动汽车驱动电机总的发展趋势是由通用走向专用，由直流走向交流；电机的功率密度、可靠性及耐久性不断提高；驱动控制系统向集成化与一体化发展。

电机控制技术趋于智能化和数字化。如今，变结构控制、模糊控制、神经网络、自适应控制专家系统、遗传算法等智能控制技术都将各自或结合应用于电动车电机控制系统。将使系统结构简单，响应迅速，抗干扰力强，对参数变化具有鲁棒性，将大大提高整个系统的综合性能。随着微电子学及计算机技术的发展，高速、高集成度、低成本的微机专用芯片以及DSP等的问世及商品化，使全数字的控制系统成为可能。用软件代替硬件，除完成要求的控制功能外，还可以具有保护、故障监视、自诊断等其它功能。另外，为提高控制系统的可靠性和实用性，应使得改变控制策略、修正控制参数和模型也简单易行。

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