电动汽车的电气驱动技术及其发展

电动汽车的电气驱动技术及其发展

周江

武汉长海高新技术有限公司湖北武汉430223

摘要：随着经济和技术的不断发展，汽车工业已成为中国主要的支柱产业之一，汽车工业的快速发展给中国带来了巨大的环境压力和能源危机。电动车辆可以由车辆电源供电，与传统汽车相比，电动汽车的出现缓解了中国石油短缺，减少了环境污染，这是未来汽车产业发展的必然趋势。

关键词：电动汽车；驱动技术；发展

引言：传统燃料汽车面临能源危机和环境污染这两大问题时，电动汽车得到了重视和发展，被认为是解决上述两大问题的有效途径。它是汽车工程，电子信息，新能源技术，计算机和自动控制等多学科技术的集成，使车辆更易于电子化和信息化，从而提高车辆的智能控制水平。作为电动汽车的关键技术之一，电动汽车电机驱动控制技术一直是国内外学者的研究热点。

1电动汽车对电机驱动系统的要求

电动车辆的电动机驱动系统不同于传统的燃料供应系统，它将电能和化学能转化为机械能。其优点是不再需要复杂而笨重的机械换档机构来实现车辆的运行功率，一般来说，电动汽车对其电机驱动系统有以下要求：（1）在成本方面，电动汽车的整体成本效益要求与内燃机系统处于同一水平。（2）汽车的恒功率，瞬时功率，快速加速，快速启动的性能要求。（3）调速范围必须很大。速度控制操作区域具有恒定的转矩区域和恒定的功率区域。如果恒转矩区需要低转速，则大转矩需要启动和爬升；恒功率区需要低转矩才能达到高速行驶，以满足汽车在平稳路面上能够辨认形状的要求。这在充电过程中非常高效。（4）在最轻质量的同时具有电气和机械的双重优势，还应具有最佳的利用率，充分利用提高再生制动的能力。（5）电机驱动系统应能够安全可靠地工作，无论温度高低和剧烈振动。（6）重量轻，体积小，可以满足各类车辆的安装要求。

2驱动系统种类及驱动控制算法

2.1根据所使用的驱动电机的类型，电动车的驱动系统可分为交流感应电机，直流电机，开关磁阻电机，永磁同步电机和永磁无刷直流电机，电动机驱动系统是电动车研发的重点之一。目前，带减速器和差速器驱动轮的单电机是驱动电动车辆的常用方式，考虑到车辆的局部差异和一般情况，目前大多数关于控制策略和控制方法的研究都是通过软件仿真来模拟的。建立了电动机异步电动机的仿真模型及其相应的控制模型，实现了纯电动汽车动力性能仿真，基于电动车辆的电动机驱动速度的范围，电池组的能量需求，驱动电动机的工作效率以及传动系数的建模和模拟来确定动力驱动系统的关键部件的选择的车辆，以电动汽车巡航距离和驾驶动力需求为主要优化目标，对纯电动汽车动力学参数的匹配参数进行了深入研究。在MATLAB/SIMULINK环境中完成整车并行控制策略的建模。研究结果表明，所开发的电动汽车正向仿真平台的正确性和可靠性对提高电动汽车初始研发效率，降低电动汽车研发成本具有重要的现实意义。

2.2电动汽车的电机驱动系统的控制策略。鉴于感应电动机在当前市场上的普及程度有限，我们主要讨论感应电动机的控制策略，目前主要从四个方面进行研究：基于简单状态变量的效率优化控制，基于搜索方法的效率优化控制，基于电机损失模型的效率优化控制，以及结合上述方法特点的混合优化控制。虽然这些方法并不相同，但实质上它们都采用降低铁损的方法来提高轻载状态下的效率，以降低电机磁通水平。

3电动汽车电机系统分析

目前，电动汽车主要有四大电机系统：直流电机，永磁同步电机（包括无刷直流电机），开关磁阻电机和交流异步电机。

3.1直流电机是早期广泛用于电动汽车的驱动装置，也是最简单的电机类型。直流电机控制方法易于实现，使用电压控制，并具有交流电机无与伦比的电磁转矩控制特性。但是，直流电机存在无法克服的缺点：直流电机带有电刷，因此需要频繁维护，同时，直流电机质量笨重，大功率直流电机成本高，这些缺点限制了直流电机在现代电动汽车中的应用。

3.2交流异步电机也是一种成熟的电机，采用V/F控制，矢量控制，直接转矩控制等控制方式，同时，感应电机结构简单，价格低廉，能量密度高，在运行过程中，转矩脉动小，转速范围大。因此，在美国和欧洲开发的电动车大多使用感应电动机作为驱动电动机，例如，福特汽车公司的Fusion电动汽车使用60千瓦的异步电动机作为驱动装置。

3.3开关磁阻电机是一种新型电机，作为电动汽车的驱动电机非常有利，简单的电机结构和控制技术易于实现，高可靠性，高效率，低成本，同时，其缺点也不容忽视，开关磁阻电机噪声的运行，转矩脉动严重，因此，开关磁阻电机基本上停留在应用研究阶段。

3.4永磁同步电机是当前电动汽车驱动电机研究的热点。永磁同步电机具有体积小，重量轻，功率密度大等优点，同时其低速输出扭矩大，效率高，维修方便等优点，因此电动汽车驱动电机的优点明显。目前需要克服的缺点和问题是永磁体的退磁和稀土材料资源的短缺，目前的主要研究方向是无位置传感器控制，转矩脉动抑制和新的控制策略。大多数日本和欧洲国家使用永磁同步电机作为电动汽车驱动电机，如丰田的普锐斯电动汽车和本田的Insight电动汽车。

4电动汽车轮毂电机驱动技术

早在上个世纪中叶，一位名叫罗伯特的美国人将驱动电机，变速器/制动装置集成到了轮毂上，并开发了原来的电动车轮毂。这种电机根据安装方式不同而不同。它也分为两种类型：轮毂电机驱动和车轮侧电机驱动，它是将驱动电机固定在机架位置，电机的输出轴直接传动到驱动轮的转矩，电机和车轮彼此相对独立，只能通过电机输出轴或其他传动机构，降低车轮的惯性和车辆的颠簸程度。轮毂马达驱动器在结构上不同于轮侧马达驱动器，因为其通过直接驱动轮毂中的马达直接驱动轮子。这种结构省去了传统燃料车上的一系列传动装置，大大提高了传动效率，使系统结构更加简单。2005年，E.J.教授美国德克萨斯大学的Triche对直接驱动混合动力和纯电动军用车轮毂冲击载荷进行了相关仿真和实验，K.Cakir和A.Sabanovic设计了直驱电动车的电气系统，创建了电机的三维模型，并优化了设计，使轮毂电机驱动系统与实验车辆相匹配。2012年，PererJuris等人。研究了温度对轮内电机驱动系统的影响，采用有限元方法对轮毂电机进行瞬态热力学仿真分析。结果表明，过高的温度会导致轮毂电机的驱动失效，并导致永磁体。失去磁性。在中国，同济大学余卓平教授等对四轮驱动电动汽车附着系数估算方法进行了深入分析。他们利用电动车轮毂电机测速精度，驱动力响应等特性来估算车辆路面的附着系数，通过这种方法可以有效地防止车辆在车轮打滑时，保证车辆的行驶稳定性。2012年，张立军等人建立了包括动力转矩波动动力学模型和充气轮胎刚性环动力学模型的系统耦合动力学模型，并进行了时频域分析。此外，北京理工大学还对轮毂电机驱动进行了深入研究。例如，谢少波和林成研究了前轮毂电机驱动电动汽车的行驶稳定性。通过实验仿真验证了设计的控制策略可以得到改善，保障车辆偏航稳定性。

结束语

电机驱动系统主要用于电动车和小型电动车，它减少了汽车市场对石油的需求，并在一定程度上保护了环境和石油资源。然而，技术有限，电动汽车电机驱动系统存在一定的不足，研究人员应该在电机驱动系统的性能，成本和体积重量方面改进电机驱动系统，从而为电动汽车行业带来更好的效益。

参考文献：

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[2]张千帆，等.电动车用新型驱动电机发展综述[J].微特电机，2004（06）：33-37.

[3]曹秉刚，张传伟，白志峰，等.电动汽车技术进展和发展趋势[J].西安交通大学学报，2004.