发展电动汽车第一个瓶颈是动力电池,第二个瓶颈是电动汽车电机控制器。过去无轨电车的供电是由滑触网在线提供的,一直用的直流电机驱动汽车,后来也改成交流电动机了。目前电动汽车都是用的交流电机。动力由车载储电池提供,电池对车辆只能提供直流电。电池提供的直流电,而电机又要求是交流电。也就是说,必须把直流电变成交流电,才能驱动交流电动机工作。电动汽车越来越普及,要求了解更多知识的人也越来越多了。下面对电动汽车电机控制器原理及技术发展趋势予以介绍。

一、电是一种自然现象及分类

电是一种自然现象,指电子运动所带来的现象,是静止或移动的电荷所产生的物理现象。电流是指带电粒子的定向移动。工业用电多指电流,电流在负载端永远是正极流向负极。这一点与自然界的水流动相似,永远从高处(正极)流向低处(负极)。

直流电是指电流在导体内流向不随时间变化,而交流电在导体内流向随时间成交替变化。工业上的直流电在时间轴上表现一条直线,即变化频率为0,工业上交流电在时间轴上表现为正弦波变化,在中国这个正弦波变化频率为50赫兹,即1秒正弦波变化50次。

电是携带能量的,就说成电能。能是有力量的,于是电能可以做功,比如驱动电机旋转。

二、电机及分类

用电能驱动能旋转的机器,叫电机。用直流电驱动电机,叫直流电机,用交流电驱动的电机,叫交流电机。基于不同研究目的,电机的分类繁多。目前电动汽车的电机基本上用的交流电机,目前主流车用的主流电机是永磁交流电机。永磁交流电机的优点,主要有3个方面:

①结构简单,运行可靠;

②体积小,质量轻;损耗小,效率高;

③电机的形状和尺寸可以灵活多样等。

三、电机及控制器的原理

电机及控制器的原理见图1。电机驱动汽车前行,而电机控制器驱动电机工作。电机控制器由逆变器和控制器两部分组成。逆变器接收电池输送过来的直流电电能,逆变成三相交流电给汽车电机提供电源。控制器接受电机转速等信号反馈到仪表,当发生制动或者加速行为时,控制器控制变频器频率的升降,从而达到加速或者减速的目的。

图1 电机及控制器的原理

四、电机控制驱动系统分类

电动汽车的负载是随机变化的,具体表现为,车辆行驶方向有前行和倒退,有加速和减速。电机控制驱动系统的基本功能是控制电机的工作,确保汽车的前行和倒退、加速和减速自如。

基本分类:

①直流电机驱动系统: 一般采用脉宽调制(PWM)斩波控制方式,其特点是控制技术简单、成熟、成本低,但效率低、体积大等。

②交流感应电机驱动系统 : 一般采用脉宽调制(PWM)斩波控制方式,高压直流到三相交流的电源变换,采用变频调速方式实现电机调速,采用矢量控制或直接转矩控制策略实现电机转矩控制的快速响应。

③交流永磁电机驱动系统 :目前主流的是采用PWM方式实现高压直流到三相交流的电源变换,采用变频调速方式实现电机调速,其低速转矩脉动小且高速恒功率区调速更稳定。

目前纯电动汽车主流用的是:永磁同步电机,采用稀土永磁体励磁,与感应电机相比不需要励磁电路,具有效率高、功率密度大、控制精度高、转矩脉动小等特点。

五、电动汽车电机控制器基本趋势是集成

目前城市配送电动车电机控制器已经做到“五合一”水平,代表发展方向。目前的产品有5大类:

①单主驱控制器、辅件三合一控制器(集成:EHPS控制器+ACM控制器+DCDC);

②辅件五合一控制器(集成:EHPS控制器+ACM控制器+DCDC+PDU+双源EPS控制器);

③乘用车控制器(集成:主驱+DCDC);

④物流车三合一控制器(集成:主驱+DCDC+PDU);

⑤物流车五合一控制器(集成:主驱+EHPS控制器+ACM控制器+DCDC+PDU)。

六、多合一的电机控制器功能介绍

①基本功能:通过逆变桥调制输出正玄波来驱动电机;

②配电回路:为集成控制器其他部分提供配电,如TM接触器、熔断器、电空调回路供电、电除霜回路供电等等;

③IGBT驱动回路:接收控制信号,驱动IGBT并反馈状态,提供电压隔离以及保护;

④辅助电源:为控制电路提供电源,为驱动电路提供隔离电源;

⑤DSP电路:接收整车控制指令,并提供反馈信息,检测电机系统传感器信息,根据指令传输电机控制信号;

⑥结构与散热系统:为电机控制器提供散热,提供控制器安装支持,提供控制器安全防护。

七、电动汽车电机控制器技术发展趋势

①高安全性,这个是基本要求。集成功能越来越多,安全要求越高。

②高功率密度化。外形体积随分装向小型化发展。

③高压化是基本趋势。IGBT的方向是650V IGBT的设计往更高的750V以及1200V 。

④EMC等级越来越高。接下来要做到class5水平。

八、小结

发展电动汽车,电控部分的技术含量是很高的,尤其是电机控制器,目前中国在电机控制器的集成方面进步是相当快的,但是关键的电子器件(如IGBT)主要还要依靠外商提供。

特斯拉电机为什么可以做的这么小？

影响电机输出功率的两个因素，一个是转速，一个是扭矩。两者的乘积高了，功率就大了。

特斯拉的电机功率大，原因也是一样。他有超过10000转的最高转速和600NM的扭矩，当然他的恒扭矩区在0～5500rpm,以上是恒功率区，转速提高扭矩同比例下降。

所以问题又变成怎么在那么小的体积下实现10000转的高转速和怎么提供600NM的大扭矩？

机械上实现10000转是容易的，做好动平衡，用高转速的轴承。

电路上面呢？需要转子通过高频高压的大电流，什么概念？大约是500Hz、350V，1000A，我说的是大致的范围。

带来的问题：耐压相对好解决（其实也有点难的），大电流需要很粗的导电截面，高频率会有很强的趋肤效应这是矛盾。

特斯拉怎么解决：多股线，尽可能短的线圈端部，还有是高温高频的承受力，相应的线圈、定子的散热，妙招是一体化的变频器和异步电机。

变频器一体化后，EMC的问题容易解决了。

异步电机是容易做到平稳驱动，可以高效的驱动到很高速，这是相对永磁同步电机的明显优势。

因为电机有一个额定工作转速，高于此转速需要超电压或者是弱磁驱动，异步电机弱磁很容易，只要减小相应的励磁电流就可以了。永磁同步也可以弱磁，需要增加一个相应的去励磁的电流。总的电流的承受能力有限，所以异步的优势就明显。

扭矩怎么办：增加磁场，提高磁场的有效利用率。

怎么增加：定子、转子的深槽型，增加导磁截面，还有转子磁场的一致性，减小端部的损失（他们有一个专利描述）。铜转子？更多的还是通过增加导磁截面来提高转矩。只是通过降低转子导体电阻，最大扭矩没有增加。

然后还有一个因素：一体控制器和电机设计，电机可以以最大扭矩运行，我们通常的异步电机的额定扭矩只有最大扭矩的50%不到。

综合：转速上提高了4倍，扭矩上提高了4倍，总体上就惊人了。

由此：我们要跟上还是有可能的。

部分内容来源：汽车制造网

---

作为亚洲最大的汽车材料与设计、工艺与装备、质量与装配、工程与服务技术行业盛会，上海国际汽车制造技术与装备及材料展览会（AMTS）自2004年创办以来，以国际化的视角呈现汽车工程领域全方位的系统集成解决方案。10多年来，展会的规模、展示范围以及专业观众快速增长，极大地推动了国际汽车制造装备技术交流及贸易的发展！

AMTS 2017第十三届上海国际汽车制造技术与装备及材料展览会将于2017年9月5-8日在上海举行，将汇聚来自中国/亚洲的知名汽车制造商和一级供应商的工程技术人员和决策者到场参观，预计将有来自世界各地800家展商参展，展示面积首次突破80,000平方米，吸引80,000专业观众到场参观。

欲了解更多汽车材料与制造集团信息，立即来AMTS 2017现场参观吧！

点击此处，一键登记，轻松观展

联系我们：

邮箱：info@for-expo.com

电话：86-21-6468 1300 / 6468 1550