电动汽车电机控制器原理及技术发展趋势研究

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。