電動汽車電機控制的工作原理及應(yīng)用方案

新能源汽車的三電是指：動力電池、驅(qū)動電機、整車電控。

三電是新能源汽車的核心，在動力電池技術(shù)的發(fā)展上，不時有新技術(shù)與新熱點出現(xiàn)。在電控領(lǐng)域，我們的發(fā)展一直處于比較初級的階段。

電控效率的提升，能顯著提升純電動汽車的整車經(jīng)濟性。

電控，廣義上電控有整車控制器、電機控制器與電池管理系統(tǒng)。

本文介紹電機控制的的工作原理及優(yōu)化方案。

01.電機控制器

電機控制器是連接電機與電池的神經(jīng)中樞，用來調(diào)校整車各項性能，足夠智能的電控不僅能保障車輛的基本安全及精準操控，還能讓電池和電機發(fā)揮出充足的實力。

02.電機控制器的工作過程

電機控制器單元的核心，便是對驅(qū)動電機的控制。動力單元的提供者--動力電池所提供的是直流電，而驅(qū)動電機所需要的，則是三項交流電。因此，電控單元所要實現(xiàn)的，便是在電力電子技術(shù)上稱之為逆變的一個過程，即將動力電池端的直流電轉(zhuǎn)換成電機輸入側(cè)的交流電。

為實現(xiàn)逆變過程，電控單元需要直流母線電容，IGBT等組件來配合一起工作。當(dāng)電流從動力電池端輸出之后，首先需要經(jīng)過直流母線電容用以消除諧波分量，之后，通過控制IGBT的開關(guān)以及其他控制單元的配合，直流電被最終逆變成交流電，并最終作為動力電機的輸入電流。如前文所述，通過控制動力電機三項輸入電流的頻率以及配合動力電機上轉(zhuǎn)速傳感器與溫度傳感器的反饋值，電控單元最終實現(xiàn)對電機的控制。

下圖是一個典型的純電動汽車動力系統(tǒng)電氣圖，其中藍色線是低壓通訊線，所有通訊、傳感器、低壓電源等等都要通過這個低壓接頭引出，連接到整車控制器和動力電池管理系統(tǒng)。

紅色線為高壓動力線。兩對高壓接口。一對輸入接口，用于連接動力電池包高壓接口；另外一對是高壓輸出接口，連接電機，提供控制電源。

電機工作原理的不同，直接影響調(diào)控過程的復(fù)雜程度和精確性。

按照控制從易到難排列，分別是直流無刷電機，永磁同步電機，開關(guān)磁阻電機，異步電動機。

電控的難易，既包括硬件系統(tǒng)設(shè)計的規(guī)模大小、造價高低，也包括軟件算法實現(xiàn)的控制精度高低和為了達到這個精度所采用的策略和方法的魯棒性的好壞。

人們期待得到的是硬件結(jié)構(gòu)簡單，軟件算法簡潔，控制精度高，系統(tǒng)穩(wěn)定性好的控制系統(tǒng)。

03.電機控制器主電路選擇

選擇依據(jù)：電機控制器作為一部特定功能的逆變器，它利用電力電子技術(shù)中的調(diào)壓調(diào)頻技術(shù)，將動力電池中存儲的直流電，調(diào)制成控制電機所需的矩形波或者正玄波交流電，改變輸出電力的電壓、電流幅值或者頻率，進而改變電機轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩，達到控制整車速度、加速度的目的。

電力電子電路設(shè)計，根據(jù)不同的調(diào)速需求，做出復(fù)雜程度不同，造價也不同的設(shè)計。

例如針對直流電機的控制。若采用單管斬波器電路，只能單向調(diào)速，電流不能換向；若采用雙管斬波器電路，可以實現(xiàn)能量回饋動作，但是還是不能使得直流電機換向；若采用H橋型斬波電路，可以直流電機調(diào)速，可以能量回饋，可以勵磁電流可以反轉(zhuǎn)。

但是以上的三個選擇，一個比一個復(fù)雜，一個比一個造價高。需要設(shè)計者在性能和成本之間做出選擇，最貴的不一定是最好的，最適合的才好。

04.分布式驅(qū)動電動汽車集成式控制

分布式驅(qū)動電動汽車可控性好、傳動鏈短、結(jié)構(gòu)緊湊、車內(nèi)空間利用率高等優(yōu)點，一直是研發(fā)的焦點。而且各個車輪的驅(qū)動電機均能獨立控制，通過電機轉(zhuǎn)矩的合理分配，充分利用電機高效區(qū)間，并結(jié)合回饋制動策略，能夠提高車輛的經(jīng)濟性。

為了提升控制系統(tǒng)對于車輛參數(shù)、狀態(tài)以及車輛行駛環(huán)境適應(yīng)性，需要設(shè)計滿足控制需求的狀態(tài)估計與參數(shù)辨識算法，同時保證控制-估計系統(tǒng)的穩(wěn)定性，而分布式驅(qū)動為車輛狀態(tài)估計算法提供了更大的可能。

為了保證分布式驅(qū)動電動汽車在復(fù)雜工況下的良好行駛性能，解決多控制目標、多控制功能、多執(zhí)行器和多維運動的協(xié)調(diào)問題，集成控制成為分布式驅(qū)動電動汽車動力學(xué)控制當(dāng)前的研究重點。

傳統(tǒng)的獨立設(shè)計的控制器有各自明確的控制目標。但是各系統(tǒng)間存在一定程度上的功能重疊和干擾，因此，多個執(zhí)行系統(tǒng)的動作分配和多個控制目標的協(xié)調(diào)便是系統(tǒng)集成控制策略的關(guān)鍵。

集成控制系統(tǒng)架構(gòu)

05.電控系統(tǒng)效率優(yōu)化技術(shù)

電控系統(tǒng)效率提升1%，對整車經(jīng)濟性以及重量都很有優(yōu)勢，效率優(yōu)化技術(shù)包括載頻動態(tài)調(diào)整、DPWM發(fā)波技術(shù)、過調(diào)制技術(shù)、廣域高效HSM電機。

載頻動態(tài)調(diào)整技術(shù)

電控系統(tǒng)最主要的損耗來源是逆變器部分，逆變器損耗70%來自開關(guān)部分。

從開關(guān)損耗角度降低，研究了載頻動態(tài)調(diào)整技術(shù)。通過仿真試驗發(fā)現(xiàn)，調(diào)整開關(guān)頻率后，控制器效率最大可以提升2%左右，使用動態(tài)載頻率技術(shù)，尤其是在低轉(zhuǎn)速，對載頻要求不那么高的時候，調(diào)整載頻可以有效降低控制器的損耗，提供控制器的效率，初步預(yù)計每100公里可以提供1.5公里左右，載頻不能無限制下調(diào)，還需要考慮整車噪音和電機控制的需要。

DPWM發(fā)波技術(shù)應(yīng)用

不連續(xù)發(fā)波的技術(shù)應(yīng)用，采用DPWM技術(shù)比COWM技術(shù)減少1/3的開關(guān)次數(shù)，可以顯著降低開關(guān)次數(shù)，達到減少開關(guān)損耗的目的。

當(dāng)調(diào)制比M>0.816，CPWM和DPWM調(diào)制下的諧波近似相同。此區(qū)域可采用DPWM技術(shù)以降低器件損耗。

過調(diào)制技術(shù)應(yīng)用

控制器損耗包括開關(guān)損耗和導(dǎo)動損耗。導(dǎo)動損耗與輸出電流有很大關(guān)系，輸出功率一定的情況下，輸出電流降低對應(yīng)輸出電壓需要相應(yīng)提高。

通過加入過調(diào)制，能有效提高弱磁區(qū)輸出功率和輸出轉(zhuǎn)矩，提高輸出電壓4%，峰值功率對應(yīng)提高4%左右，改善整車在高速的動力性能；

通過加入過調(diào)制，輸出相同功率，電流會明顯降低，能減小系統(tǒng)發(fā)熱，提高控制器的過載能力，改善整車動力性能；

通過加入過調(diào)制，能有效提高基波電壓，與沒有過調(diào)制相比，可以有效提高電機效率，電機電流能明顯減?。?~8%），效率提高可以有效延長續(xù)航里程。

廣域高效HSM電機

除了電控效率提升，還包括電機效率提升。

HSM電機混合同步電機，相比IPM電機可以兼顧低速區(qū)效率和高速區(qū)效率。HSM尤其在中高速恒功率運行區(qū)域內(nèi)，效率優(yōu)勢更加明顯。試驗發(fā)現(xiàn)在低速區(qū)、高速區(qū)，HSM效率高于常規(guī)IPM電機，總體來看使用HSM技術(shù)之后可以提高電機效率。

在公交車與團體車工況下，IPM與HSM電機進行對比，HSM電機占優(yōu)勢。

考慮整車工況的綜合能效定向優(yōu)化技術(shù)，通過調(diào)整電機各損耗分量比例，實現(xiàn)效率的定向優(yōu)化，結(jié)合具體車型路況信息，定制化開發(fā)綜合能效更高的電機，提高續(xù)航里程。

06.電動汽車電機控制器技術(shù)發(fā)展趨勢

高安全性,這個是基本要求。集成功能越來越多,安全要求越高。

高功率密度化。外形體積隨分裝向小型化發(fā)展。

高壓化是基本趨勢。GBT的方向是650V IGBT的設(shè)計往更高的750V以及1200V

EMC等級越來越高。接下來要做到class5水平。

審核編輯：郭婷