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。