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1、 编号：35电动汽车电动汽车课程论文课程论文电动车电机驱动控制技术的研究现状及电动车电机驱动控制技术的研究现状及 其发展趋势其发展趋势 StudyStudy StatusStatus andand DeveIopmentDeveIopment TrendTrend ofof EIectricEIectric VehicIeVehicIe ControIControI TechnoIogyTechnoIogy ofof MotorMotor DrivingDriving班级：班级： 车辆车辆 1103 姓名（及手机）：姓名（及手机）： 李朗李朗 学号：学号： 1101504321 任课教师：任课
2、教师：郑郑 建建 祥祥 2013 年年 5 月月 14 号号电动车电机驱动控制技术的研究现状及其发电动车电机驱动控制技术的研究现状及其发 展趋势展趋势摘要摘要：当今世界上节能和环保日益受到重视，因此电动车技术的发展步伐正在加 快。本文综合评述了电动车的关键技术电机驱动技术，并对未来的发展趋势作 了展望。 关键词关键词：电动汽车；电机；驱动系统 StudyStudy StatusStatus andand DeveIopmentDeveIopment TrendTrend ofof EIectricEIectric VehicIeVehicIe ControIControI TechnoIogy
3、TechnoIogy ofof MotorMotor DrivingDriving AbstractAbstract：The development of the technology for electric vehicle is speeding up，as more attentions have been paid to the world energy saving and environment protection.This article described the key technology to electric vehiclethe motor driving cont
4、rol system，and made a prospect for the future technology. KeyKey wordswords：electric vehicle；motor；driving1.1.课题背景及选题意义课题背景及选题意义由于能源和环境的压力，节能减排、以减少二氧化碳为目标的“低碳”经济 的概念越来越得到全社会的认可。与内燃机汽车相比，电动汽车具有无污染、低 噪声、高效率、结构简单、维修方便等优点，以其为代表的新能源汽车受到国内 外的极大关注。根据 TRU Group 的预测，2015、2019 年全球电动汽车产量约为 200 万辆、425 万辆。而根据美国阿
5、贡实验室的评估报告，电动汽车控制器约占 整车生产成本的 9.5%结合以上数据分析，2015 年后全球电动汽车驱动电动机控 制器所占市场份额大约为 210 亿元。目前，国外大部分汽车企业在电动汽车领域 有充足的积累，控制策略成熟度高，整车节能效果良好，控制器产品通过市场检 验证实了其可靠性，尤其美国、日本及欧洲国家所拥有的电动汽车研发技术处于 世界领先水平。目前国内的车用驱动电机系统已达到了小批量生产的水平，包括 上述的各种类型电机以及风冷、水冷等冷却形式，涵盖 5kw180kw 功率范围。部 分系统指标（如比功率和系统效率）达到了国际先进水平。系统中应用了矢量控 制、直接转矩控制等控制方法,采
6、用了 Igbo 等全控型电力电子器件,dsp 等先进的 数字处理器,can 总线通讯模式等控制技术,对参数辨识,效率优化,死区补偿等专门 的问题开展了有针对性的研究,取得了卓有成效的成果,有一大批车辆已在城市道 路上进行示范运行。目前车用驱动电机系统尚需提高的地方:全运行范围内的转矩、转速控制精度,效率最优化；系统可靠性及耐久性尚未得到充分验证,和汽车行业的严格要求还有一定差 距；动力总成装置的集成度不高,机电一体化不够；关键材料（如高性能硅钢片，绝缘材料）和关键元器件（如 Igbo 模块， cpu 芯片)仍依靠进口，限制了选择余地和成本降低；尚未形成完整的、满足汽车工业标准的供应商体系。虽然
7、具备了小批量供 货的能力,但产品尚未通过 ts16949 质量体系标准认证。今后仍需要重点研究的内容:系统的集成化；高性能电机控制策略，电机效率优化；系统热管理；系统失效模式分析，系统可靠性、耐久性预测与快速评估方法；系统电磁兼容，环境适应性研究及试验验证，电机系统成本控制等鉴于此，国家在电动汽车科技发展“十二五”专项规划中明确指出开发 系列纯电驱动汽车及其能源供给系统。电动机驱动控制器作为电动汽车的关键部 件，其性能优劣直接影响整车的动力性与经济性。电动汽车电驱动系统应具有尽 可能高的转矩密度、良好的转矩控制能力、高可靠性及在宽车速范围内的高效率。 电动汽车电驱动功能的实现涉及电机、电力电子
8、、微处理器、蓄电池、控制理论 等多学科技术领域，是赶超世界汽车先进水平的核心技术。因此，对电动汽车电 驱动系统的研究开发具有重要的社会意义和工程实际意义。2.2.电动汽车用电机概述电动汽车用电机概述相比传统汽车，电动汽车的动力通过柔性的电缆传输且驱动电机和变速器的 布置多种多样，省去了联轴器和传动轴等装置因此结构较为简单。在结构上，电 动汽车可分为动力能源系统、电机驱动系统和辅助控制系统，结构如图 1.1 所示。电机驱动系统一般由驱动电机、控制系统（包括控制器和传感器） 、减速及传动装 置、车轮等组成，它是电动汽车关键部分之一。电机驱动系统通过接收控制系统 发来的命令，把动力电池的能量转变为电
9、机的机械能，经由传动系统将动力传递 到车轮上，保证车辆正常行驶。电动汽车研究的最终目的以为了替代当前的燃油 车，在性能上要保证车辆能够频繁的起停、加减速、乘坐的舒适性和恶劣环境的 通过性等，因此对于电动汽车的驱动系统要有较高的要求： 电动汽车用电动机应具有简单耐用、过载能力强、加速性好、转矩的动态 响应快的特点。 电动机要能实现对转矩和功率的快速平滑的响应且能满足恒转矩区和恒功 率区的调速。能在起步、爬坡等低速范围运行时输出较大的恒定转矩；在额定转 速以上运行时，恒功率输出，以满足超车加速等高速行驶要求，提高了调速范围。 其良好的自动调速功能减轻了司机的操纵强度，达到了与内燃机车相同的加速踏
10、板响应效果。 电动汽车用电动机应具有再生制动功能。可以在汽车减速或下坡时，回收 制动能量储存在动力电池中，提高了整车的能量利用率，也增加了车辆的续驶里 程。 为满足减少系统损耗和延长续驶里程的要求，电动汽车用电动机驱动系统 效率尽量达到最优。而且电机应有较高的瞬时功率和功率密度，以满足高速行驶 的需要。要求车用电机可靠性好，以适应在恶劣环境下的长期工作；便于使用与维 修；尺寸和重量小，便于整车布置；价格便宜，利于批量应用。图 1.1 电动汽车系统简图Fig1.1 Diagram of electric vehicle system目前，根据电动车辆所装备的电机类型，驱动系统一般可分为直流电机驱
11、动 系统和交流电机驱动系统。表 1.1 为相应的电动汽车用电机的性能比较。直流电动机的低速恒转矩和高速恒功率的特性非常适合汽车对转矩的要求并且结构简单， 控制技术成熟，它是最早用于电动车的，像日本东京大学研制的 UOT 电动汽车就 采用了直流串励电动机。 但由于效率低下、体积和质量较大、可靠性较差、其电 刷和换向器要经常维护，不适用高速运转且换向装置工作时易产生火花而对其他 电子器件造成影响等缺点，基本上已被永磁同步、无刷直流和感应电机等交流电 机等取代。表 1.1 各种电动车用电机的性能相比来说，交流感应电机(也称交流异步电机) 效率高、调速范围宽、可靠性 好、便于维护、体积和质量小、价格便
12、宜，是目前在电动汽车上得到广泛应用的 电机。美国的电动汽车普遍采用感应电动机驱动，如 Chrysler 公司生产的 EpicVan，Ford 公司生产的 Ranger EV，通用汽车公司生产的 IMPACT 和 EV1 电 动汽车。还 有德国大众的 Golf IV 电动汽车等。我国的胜利 SL6700DD 电动客车，郑州华联 ZK6820HG 电动轻型客车等也采用感应电动机。永磁交流电机亦称永磁无刷电机(PMBLM)，它包括永磁同步电机(PMSM)和无刷 直流电机(BLDCM)。前者凭借功率密度大、效率高、体积小、调速范围宽等优点， 在电机驱动系统中的发展前景最为广阔，现已应用在多种电动汽车上
13、。而后者虽 具有相同的优点，但是转矩脉动大，控制较前者复杂。日本尼桑公司的 ALTRA6， 丰田公司的 RAV4 和 PRIUS 采用永磁同步电机驱动。英国、法国的电动汽车则主 要采用永磁无刷直流电机。交流永磁电机采用永磁体励磁，具有效率高，功率密度大等优点，但是高温 工作时存在退磁现象会降低其性能，而且与感应电机相比成本较高，可靠性和使 用寿命差。开关磁阻电机虽然结构简单可靠、运行效率高、成本低、易于控制；但工作 噪声大、转矩脉动严重，在电动汽车的驱动系统中应用较少，如国内东风汽车开 发的 EQ6110HEV。3.3.电机驱动系统的关键技术电机驱动系统的关键技术3.13.1 电机控制技术的发
14、展电机控制技术的发展本论文针对现在应用较多的感应电机进行研究。早期的控制方法有 V/F 和转 差率调速法，但是其调速范围小，转矩特性不好，不适合电动汽车的频繁起停和 加减速的要求。通过分析交流感应电机的模型可知它是一个高阶多变量、强耦合 的非线性系统，而早期的控制算法根据电机的稳态等效电路和计算公式实现其控 制，系统的动态控制效果不理想。现在对交流感应电机各种控制方法的研究主要 集中在基于磁场定向的矢量控制、直接转矩控制等，其相同之处在于实现对控制 量的解耦，以确保交流电机的控制性能接近或达到直流电机的控制效果。20 世纪 80 年代中期，德国的 M.Depenbrock 教授和日本的 I.T
15、akahashi 教授分别提出了六边形直接转矩控制方案和圆形直接转矩控制方案。其后，该理 论又被应用到弱磁调速范围。直接转矩控制（Direct Torque Control，DTC）方 法是用空间矢量的分析方法分析电动机的数学模型，采用定子磁场定向，电流不 需解耦,对定子磁链和电磁转矩进行直接控制，转矩的响应快速。这种方法不需要 复杂的坐标变换，而是直接在电机定子坐标上计算磁链的模和转矩的大小，并通 过磁链和转矩的直接跟踪实现 PWM 脉宽调制和系统的高动态性能。它直接抓住电 机输出特性，省去了复杂的矢量变换并对电动机的模型进行简化。其结构简单， 控制思路新颖、简洁明了，克服了矢量控制运算复杂
16、的缺点，转矩响应迅速，动 静态特性优良，但是缺点也十分明显：电压、电流波形畸变比较严重，转矩脉动 较大。1971 年德国 F.Blaschke 提出了磁场定向的矢量控制（field-oriented vectorcontrol，FOC）矢量控制的主要原理是模拟直流电机的控制，基于磁场定 向原理，通过解耦分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到 控制目的，其控制精度高、动态响应快。现在矢量控制的发展已比较成熟，交流 驱动驱动系统大都采用此技术。然而，实际运用中转子磁链观测的准确性及控制 的复杂性问题使得实际的控制效果不如理论分析的好。这是矢量控制技术在实践 上的不足之处，但是随着各种高性能芯片成本的降低，矢量控制的应用也将越来 越广泛。虽然几乎每一次电机的发展都
