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發(fā)展電動汽車第一個瓶頸是動力電池,第二個瓶頸是電動汽車電機控制器。過去無軌電車的供電是由滑觸網在線提供的,一直用的直流電機驅動汽車,后來也改成交流電動機了。目前電動汽車都是用的交流電機。動力由車載儲電池提供,電池對車輛只能提供直流電。電池提供的直流電,而電機又要求是交流電。也就是說,必須把直流電變成交流電,才能驅動交流電動機工作。電動汽車越來越普及,要求了解更多知識的人也越來越多了。下面對電動汽車電機控制器原理及技術發(fā)展趨勢予以介紹。
 

一、電是一種自然現(xiàn)象及分類
 

電是一種自然現(xiàn)象,指電子運動所帶來的現(xiàn)象,是靜止或移動的電荷所產生的物理現(xiàn)象。電流是指帶電粒子的定向移動。工業(yè)用電多指電流,電流在負載端永遠是正極流向負極。這一點與自然界的水流動相似,永遠從高處(正極)流向低處(負極)。
 

直流電是指電流在導體內流向不隨時間變化,而交流電在導體內流向隨時間成交替變化。工業(yè)上的直流電在時間軸上表現(xiàn)一條直線,即變化頻率為0,工業(yè)上交流電在時間軸上表現(xiàn)為正弦波變化,在中國這個正弦波變化頻率為50赫茲,即1秒正弦波變化50次。
 

電是攜帶能量的,就說成電能。能是有力量的,于是電能可以做功,比如驅動電機旋轉。
 

二、電機及分類
 

用電能驅動能旋轉的機器,叫電機。用直流電驅動電機,叫直流電機,用交流電驅動的電機,叫交流電機?；诓煌芯磕康?電機的分類繁多。目前電動汽車的電機基本上用的交流電機,目前主流車用的主流電機是永磁交流電機。永磁交流電機的優(yōu)點,主要有3個方面:
 

①結構簡單,運行可靠;

②體積小,質量輕;損耗小,效率高;

③電機的形狀和尺寸可以靈活多樣等。
 

三、電機及控制器的原理
 

電機及控制器的原理見圖1。電機驅動汽車前行,而電機控制器驅動電機工作。電機控制器由逆變器和控制器兩部分組成。逆變器接收電池輸送過來的直流電電能,逆變成三相交流電給汽車電機提供電源?？刂破鹘邮茈姍C轉速等信號反饋到儀表,當發(fā)生制動或者加速行為時,控制器控制變頻器頻率的升降,從而達到加速或者減速的目的。
 

圖1 電機及控制器的原理

四、電機控制驅動系統(tǒng)分類
 

電動汽車的負載是隨機變化的,具體表現(xiàn)為,車輛行駛方向有前行和倒退,有加速和減速。電機控制驅動系統(tǒng)的基本功能是控制電機的工作,確保汽車的前行和倒退、加速和減速自如。

基本分類:

①直流電機驅動系統(tǒng): 一般采用脈寬調制(PWM)斬波控制方式,其特點是控制技術簡單、成熟、成本低,但效率低、體積大等。
 

②交流感應電機驅動系統(tǒng) : 一般采用脈寬調制(PWM)斬波控制方式,高壓直流到三相交流的電源變換,采用變頻調速方式實現(xiàn)電機調速,采用矢量控制或直接轉矩控制策略實現(xiàn)電機轉矩控制的快速響應。
 

③交流永磁電機驅動系統(tǒng) :目前主流的是采用PWM方式實現(xiàn)高壓直流到三相交流的電源變換,采用變頻調速方式實現(xiàn)電機調速,其低速轉矩脈動小且高速恒功率區(qū)調速更穩(wěn)定。
 

目前純電動汽車主流用的是:永磁同步電機,采用稀土永磁體勵磁,與感應電機相比不需要勵磁電路,具有效率高、功率密度大、控制精度高、轉矩脈動小等特點。
 

五、電動汽車電機控制器基本趨勢是集成
 

目前城市配送電動車電機控制器已經做到“五合一”水平,代表發(fā)展方向。目前的產品有5大類:
 

①單主驅控制器、輔件三合一控制器(集成:EHPS控制器+ACM控制器+DCDC);

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

③乘用車控制器(集成:主驅+DCDC);

④物流車三合一控制器(集成:主驅+DCDC+PDU);

⑤物流車五合一控制器(集成:主驅+EHPS控制器+ACM控制器+DCDC+PDU)。
 

六、多合一的電機控制器功能介紹
 

①基本功能:通過逆變橋調制輸出正玄波來驅動電機;

②配電回路:為集成控制器其他部分提供配電,如TM接觸器、熔斷器、電空調回路供電、電除霜回路供電等等;

③IGBT驅動回路:接收控制信號,驅動IGBT并反饋狀態(tài),提供電壓隔離以及保護;

④輔助電源:為控制電路提供電源,為驅動電路提供隔離電源;

⑤DSP電路:接收整車控制指令,并提供反饋信息,檢測電機系統(tǒng)傳感器信息,根據指令傳輸電機控制信號;

⑥結構與散熱系統(tǒng):為電機控制器提供散熱,提供控制器安裝支持,提供控制器安全防護。
 

七、電動汽車電機控制器技術發(fā)展趨勢
 

①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。

②高功率密度化。外形體積隨分裝向小型化發(fā)展。

③高壓化是基本趨勢。IGBT的方向是650V IGBT的設計往更高的750V以及1200V 。

④EMC等級越來越高。接下來要做到class5水平。
 

八、小結
 

發(fā)展電動汽車,電控部分的技術含量是很高的,尤其是電機控制器,目前中國在電機控制器的集成方面進步是相當快的,但是關鍵的電子器件(如IGBT)主要還要依靠外商提供。
 

特斯拉電機為什么可以做的這么小？
 

影響電機輸出功率的兩個因素，一個是轉速，一個是扭矩。兩者的乘積高了，功率就大了。
 

特斯拉的電機功率大，原因也是一樣。他有超過10000轉的最高轉速和600NM的扭矩，當然他的恒扭矩區(qū)在0～5500rpm,以上是恒功率區(qū)，轉速提高扭矩同比例下降。
 

所以問題又變成怎么在那么小的體積下實現(xiàn)10000轉的高轉速和怎么提供600NM的大扭矩？
 

機械上實現(xiàn)10000轉是容易的，做好動平衡，用高轉速的軸承。
 

電路上面呢？需要轉子通過高頻高壓的大電流，什么概念？大約是500Hz、350V，1000A，我說的是大致的范圍。
 

帶來的問題：耐壓相對好解決（其實也有點難的），大電流需要很粗的導電截面，高頻率會有很強的趨膚效應這是矛盾。
 

特斯拉怎么解決：多股線，盡可能短的線圈端部，還有是高溫高頻的承受力，相應的線圈、定子的散熱，妙招是一體化的變頻器和異步電機。
 

變頻器一體化后，EMC的問題容易解決了。
 

異步電機是容易做到平穩(wěn)驅動，可以高效的驅動到很高速，這是相對永磁同步電機的明顯優(yōu)勢。
 

因為電機有一個額定工作轉速，高于此轉速需要超電壓或者是弱磁驅動，異步電機弱磁很容易，只要減小相應的勵磁電流就可以了。永磁同步也可以弱磁，需要增加一個相應的去勵磁的電流?？偟碾娏鞯某惺苣芰τ邢?，所以異步的優(yōu)勢就明顯。
 

扭矩怎么辦：增加磁場，提高磁場的有效利用率。
 

怎么增加：定子、轉子的深槽型，增加導磁截面，還有轉子磁場的一致性，減小端部的損失（他們有一個專利描述）。銅轉子？更多的還是通過增加導磁截面來提高轉矩。只是通過降低轉子導體電阻，最大扭矩沒有增加。
 

然后還有一個因素：一體控制器和電機設計，電機可以以最大扭矩運行，我們通常的異步電機的額定扭矩只有最大扭矩的50%不到。
 

綜合：轉速上提高了4倍，扭矩上提高了4倍，總體上就驚人了。
 

由此：我們要跟上還是有可能的。 

部分內容來源：汽車制造網

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