电动汽车电机及控制器技术动向概述

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1、电动汽车电机及控制器 技术动向概述袁登科 YDKTONGJI.EDU.CN 同济大学电子与信息工程学院 2013年9月1电动汽车电机及控制器 技术动向 1电动汽车发展的社会环境 2电动汽车动力系统概况 3牵引电机 4电机控制器 5电动汽车动力系统技术动向21电动汽车发展的社会环境 汽车是现代社会的重要交通工 具，为人们提供了便捷、舒适 的出行服务，然而传统燃油车 辆在使用过程中产生了大量的 有害废气，并加剧了对不可再 生石油资源的依赖。 2007年中国原油消 费总量约为3.5亿吨 ，其中净进口原油 1.6亿吨，占原油消 费总量的45.7，能 源大量进口危及到国 民经济正常运行和国 家能源安全。

2、 环境 能源传统燃油汽车 高效低排放 的电动汽车3电动汽车分类 全部或部分由电机驱动、并配置大容量电能 储存装置的汽车统称为电动汽车，包括: 纯电动汽车 混合动力电动汽车 燃料电池电动汽车 41、纯电动汽车EV 纯电动汽车是完全由可充电电池（如铅酸电池、 镍镉电池、镍氢电池或锂离子电池）提供动力电 源的汽车。电动汽车分类 优点有： 1）无污染、噪声小； 2）结构简单，使用维修方便； 3）能量转换效率高；同时可回收 制动、下坡时的能量，提高能量 的利用效率； 4）可在夜间利用电网的廉价“谷 电”进行充电，起到平抑电网的峰 谷差的作用。52、混合动力电动汽车HEV 混合动力电动汽车是指使用电动机和

3、传统内燃机ICE联合驱动的汽 车，按动力耦合方式的不同可以分为串联式混合动力、并联式混合 动力和混联式混合动力。电动汽车分类 主要特点在于： 1）采用小排量的发动机，降低了燃油消 耗； 2）可以使发动机经常工作在高效低排放 区，提高了能量转换效率，降低了排放； 3）将制动、下坡时的能量回收到蓄电池 中再次利用，降低了燃油消耗； 4）在繁华市区，可关停内燃机，由电机 单独驱动，实现”零”排放； 5）电机和内燃机联合驱动提高了车辆动 力性，增强了驾驶乐趣； 6）利用现有的加油设施，具有与传统燃 油汽车相同的续驶里程。63、燃料电池电动汽车FCEV 燃料电池电动汽车是利用氢气和空气中的氧在催化剂的作

4、用下在燃 料电池中经电化学反应产生的电能，并作为主要动力源驱动的汽 车。电动汽车分类 特点： 1）能量转化效率高。燃料电池 的能量转换效率可高达60 80%，为内燃机的23倍； 2）零排放，不污染环境。燃料 电池的燃料是氢和氧，生成物 是清洁的水； 3）氢燃料来源广泛，可以从可 再生能源获得，不依赖石油燃 料。 4）由于燃料电池输出伏安特性 比较软，所以需要配备大功率 DC/DC变换器在动力系统中。72电动汽车动力系统概况 8电池技术92电动汽车动力系统概况 电机及驱动控制技术电动机与驱动系统是电动汽车的关键部件，要使电 动汽车有良好的使用性能，驱动电机应具有: 调速范围宽 转速高 启动转矩大

5、 体积小、质量小 效率高电机控制器也应体积小，功率密度高，工作温度 范围宽，高可靠性，电磁兼容性能好。102电动汽车动力系统概况 整车技术轻质材料如镁、铝、优质钢材及复合材料，优化结构 ，可使汽车自身质量减轻 实现制动、下坡和怠速时的能量回收 汽车车身特别是汽车底部更加流线型化，可使汽车的 空气阻力减少112电动汽车动力系统概况 能量管理技术能量管理系统是电动汽车的智能核心。一辆设计优良的电 动汽车，除了有良好的机械性能、电驱动性能、选择适当的能量 源（即电池）外，还应该有一套协调各个功能部分工作的能量管 理系统。检测单个电池或电池组的荷电状态 合理地调配和使用有限的车载能量（并根据各种传 感

6、信息，包括力、加减速命令、行驶路况、蓄电池 工况、环境温度等） 它还能够根据电池组的使用情况和充放电历史选择 最佳充电方式，以尽可能延长电池的寿命122电动汽车动力系统概况 3牵引电机电动汽车用牵引电机特点133牵引电机各种牵引电机特点对比143牵引电机交流永磁电机15特点： 无励磁损耗 惯量小 效率高应用特殊问题： 位置传感器 永磁体失磁 逆变器失效时电机特殊的发电运行模式3牵引电机 永磁同步电动机结构16PMSM与BLDCM的理想电流波形 正弦波形的称为永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor，简称为PMSM )，把梯形波 形的成为无刷直流电机(B

7、rushless Direct Current Motor，简称为BLDCM)。理想情况下的电机相电流波形如下: (a)永磁同步电机 (b)无刷直流电机17 电机定子电压方程： 定子绕组的磁链方程： 转矩公式：永磁同步电动机方程18假定永磁体产生正弦气隙磁通PMSM相量图19PMSM的控制方法主要有：id=0 控制；最大转矩/电流控制；控制 cos =1；恒磁链控制；弱磁控制；最大输出功率控制20PMSM工作特性曲线21PMSM调速系统控制策略 开环恒U/f控制磁场定向矢量控制技术 直接转矩控制技术无传感器控制技术 智能控制技术（自适应控制、鲁棒控制等 ）22PMSM FOC调速系统原理框图2

8、3目前，电机的研究围绕在提高转矩 密度、功率密度、更宽的恒功调速区域、 更高效率；此外，新型铁芯磁路的电机、 多相电机、不同转子结构的PMSM等也是 研究热点。244电机控制器 电力电子变换装置（IGBT、IPM、MOSFET）IGBTIPM25电机控制器系 统 示 意 图26电机控制器硬件系统 主电路 驱动电路 缓冲吸收电路 控制电路 信号调理电路 转子位置检测电路 软件系统27电机控制器电压型逆变器与电流型逆变器输出电压与频率的控制方波运行与PWM模式运行SPWM、SVPWM、CHBPWM多电平逆变器硬开关与软开关28电机控制器目前，电机控制器的研究热点主要有：新型材料、封装技术、集成技术

9、的电力电子器件模块控制器的高频化、轻量化、小型化技术微控制器的更高速化、高可靠性控制器的电磁兼容性技术电机与控制器的一体化集成技术295电动汽车动力系统技术动向电机 控制策略 电机d、q轴存在交叉耦合更好的解耦控制策略实际电机运行更高效率的控制，实际电机更精确模型的建立 ，电动汽车整个动力系统精确模型的建立 受到定子电压限制时，电机d、q轴电流的闭环控制策略305电动汽车动力系统技术动向电机 控制策略 电机磁路饱和与发热等造成的电机参数变化参数辨识、参数不敏感的电机控制策略。 圆形磁场与六边形磁场的直接转矩控制技术315电动汽车动力系统技术动向电机 采用非晶材料减少铁耗325电动汽车动力系统技

10、术动向电机控制器 控制方面 提高直流电压利用率DC/DC变换器，PWM技术，Z源逆变器开关频率的优化不同工况下分别采用最适宜的开关频率 死区的补偿 系统发热的实时预测每个PWM周期内实时计算模块的温度，进行预测与监 控。335电动汽车动力系统技术动向电机控制器 器件方面在控制电路中，磁耦、TMR磁传感器应用。在主电路中，新型材料的SiC器件的应用；开关器件的门极驱动技术。345电动汽车动力系统技术动向TMR磁传感器35用于角度、转速、位置、电流等测量。5电动汽车动力系统技术动向TMR磁传感器365电动汽车动力系统技术动向磁耦：工作温度高，速度快， 功耗小，延时小，抗共模能力强。37ADuM12

11、00/1201： 双路数字信号隔离芯片，SOIC -8，5V/3V工作电压， 工作温度125OC。芯片级变压器技术5电动汽车动力系统技术动向磁耦： 工作温度高，速度快， 功耗小，延时小，抗共模能力强。38ADM2486：它集成了一个三通 道的数字隔离器和一个RS485 收 发器，功能上可替代一个SP485 和三个6N137光耦隔离。ADuM3220： 双路门极隔离驱动芯片，4A驱 动能力，5V/3.3V逻辑电压， 4.5-18V输出电压。新材料、新器件车用IGBT模块175oC沟槽栅场终止TS-IGBT芯片,1200VSiC材料器件的推广应用二极管，MOSFET+二极管，IGBT与SiC二极管

12、的集成模块膜电容与叠层母排的一体化集成减少寄生电感，提高系统的EMC特性5电动汽车动力系统技术动向新材料、新器件 Si向SiC、GaN过渡不同材料的通态电阻与击穿电压极限图以SiC为例高温运行， 损耗低， 导热性好 开关频率高 反向恢复电流小5电动汽车动力系统技术动向大幅度降低开关损耗 由于反向恢复电荷量（Qrr）小， 所以可以降低开关损耗，有利于整 机的小型化； Si快速恢复二极管的trr会随着温度 上升而增大，而SiC则可以维持大体 一定的特性。以SiC为例开关 管开 通时 电流 冲击 减小5电动汽车动力系统技术动向稳定的温度特性 因为受温度影响的特性变化 比Si小，所以具有稳定的特 性而

13、可用性高。以SiC为例便于并联使用 与Si的快速恢复二极管不同，SiC的 正向电压具有正的温度系数，防止 热的恶循环，元件的并联连接很简 单。5电动汽车动力系统技术动向SiC MOSFET+ SiC DIODE1200V/100A开关损耗降低85% 与传统的400A级别的Si- IGBT模块相替换时，体 积减小约50%5电动汽车动力系统技术动向器件散热双边冷却技术5电动汽车动力系统技术动向提升门极驱动技术 （门极可调电流源，调节du/dt）5电动汽车动力系统技术动向提升门极驱动技术 （门极可调电流源，调节du/dt）5电动汽车动力系统技术动向5电动汽车动力系统技术动向电磁兼容与电磁干扰 动力系

14、统及整车，部件与整车的EMC模型47国内电动汽车标准（部分） GB/T 19596-2004 电动汽车术语 GB14023-2011车辆、机动船和由火花点火发动机驱动的装置的无线电骚扰特性的 限值和测量方法 GB/T 176191998机动车电子电器组件的电磁辐射抗扰性限值和测量方法 GB18655-2008用于保护车载接收机的无线电骚扰特性的限值和测量方法 GB/T18387-2008电动车辆的磁场和电场强度的限值和测量方法 GB/T 24347-2009 电动汽车DC/DC变换器 GB/T 18488.1-2006 电动汽车用电机及其控制器技术条件 GB/T 18488.2-2006 电动

15、汽车用电机及其控制器试验方法QCT 893-2011 电动汽车用驱动电机系统故障分类及判断 QCT 896-2011 电动汽车用驱动电机系统接口 EMI辐射骚扰GB 18655/CISPR 25 传导骚扰GB 18655/CISPR 25 EMS辐射抗扰度ISO 11452-2 ISO 11452-3 ISO 11452-4 ISO 11452-5 ISO 11452-7 传导抗扰性ISO 7637-2 ISO 7637-3零部件适用的标准48CISPR-12 95/54/EC CISPR-25 SAE J551/5EMI：GB14023-2006；EMS： GB/T 17619-1998系统的可靠性有待进一步提高49冗余性提高 逆变器与充电器一体化控制的数字化、智能化智能 汽车、控制灵活、故障诊断能力 强、通信功能强、适于网络化。开关器件相模块逆变器模块 IPM集成驱动智能电机电动汽车中的电力电子变换器发展趋势高功率密度小型化高集成度DC/DC+DC/AC、DC/AC+MOTOR高可靠性电气、高低温、电磁兼容低成本材料、技术成熟、量产谢 谢 ！51