纯电动汽车用电机及其控制技术发展概况和趋势教案资料.doc

纯电动汽车用电机及其控制技术发展概况和趋势

纯电动汽车用电机及其控制技术发展概况和趋势
摘 要：纯电动汽车已成为未来汽车工业的发展方向，而微型、低速、短程的纯电动乘用车更适于普及，随着其普及，低压交流电机控制器的市场需求会日益增长，因此，研究微型纯电动汽车用电机及其控制技术发展概况和趋势，对于电动汽车产业的发展具有重要的参考作用。
关键词：纯电动汽车；电机控制；发展概况；趋势
1 研究的背景及意义
1.1 研究的背景
随着资源与环境双重压力的持续增大，电动汽车已成为未来汽车工业的发展方向。电动汽车具有环保、节约、简单三大优势，这在纯电动汽车上体现尤为明显：以电动机代替燃油机，由电机驱动而无需变速箱。相对于变速箱，电机结构简单、运行可靠。
随着国家节能与新能源汽车补贴政策的出台，我国重点扶持纯电动汽车的战略路线基本确定。当前市场在售或即将进入市场的纯电动汽车基本都是高端电动车，价格大都在15万元以上，甚至有的达到20多万元，即便是享受国家补贴，但大部分人还是觉得价格偏高，同时担心充电设施不配套及电池的续航里程短等问题，导致企业已上“公告”的纯电动汽车迟迟无法推出市场，个别已上市的产品也得不到消费者的认可，“热政策”遇到了“冷市场”。相反，低速电动汽车因为价廉物美，得到了不少消费者的青睐。在山东、河北、河南、浙江等地一些城镇，节能环保低速纯电动汽车已形成一定的规模，数量日益增长。
1.2 研究的意义
发展低速电动汽车具有长远的战略意义。从现实角度来看，低速电动汽车是推动我国电动汽车产业化、开启电动汽车大规模消费市场的最佳产品；从长远发展来看，通过低速电动汽车的技术升级提升高端电动汽车的核心技术。相信国家行业主管部门会在立足国情的基础上，出台低速电动汽车标准法规，引导低速电动汽车行业的规范发展，为低速电动汽车健康发展营造良好的市场环境。
2 纯电动汽车用电磁型电机分类介绍
纯电动汽车用电磁型电机大致可以分为直流电机和交流电机，交流电机包括交流异步电机（感应电机）和交流同步电机。车用交流同步电机一般是永磁同步电机或是开关磁阻电机。当永磁同步电机工作在方波换向模式时，又常称为无刷直流电机。
2.1 直流电机
直流电机由定子、转子、换向器和电刷组成，定子上有磁极，转子有绕组，通电后，转子上也形成磁极，定子和转子的磁场之间有一个夹角，在定转子磁场的相互吸引下，使电机旋转。直流电机商品化历史最长，控制简单且具有优良的电磁转矩控制特性，串励直流电机、他励直流电机、永磁（有刷）直流电机控制系统至今仍在电动车辆中大量应用，缺点是电机本身结构复杂，机械换向，有电刷的维护问题，换向的电火花会产生严重的电磁干扰，高速可能有环火，不适宜高速运行，体积偏大，防护差。鉴于缺点众多以及其他电机驱动系统的迅速发展，可以预见，直流电机将逐步被淘汰。
2.2 交流异步电机
交流异步电机由定子和转子构成，简单坚固，成本较低。在运行时，定子通过交流电而产生旋转磁场，旋转磁场切割转子中的导体，在转子导体中产生感应电流，转子的感应电流产生一个新的磁场，两个磁场相互作用则使转子转动。
3 电机控制技术发展概况
3.1 交流异步电机控制发展迅速
交流异步电机控制复杂，近年之所以得到迅速推广，主要得益于电力电子技术、微处理器技术和交流电机控制技术的发展。交流异步电机的控制方式包括v/f控制、滑差频率控制、矢量控制（磁场定向控制和直接转矩控制）。20世纪90年代前常用前两种，但存在转速控制范围小，转矩控制特性不理想的问题，近年来，为得到最佳的控制性能，高端电机控制器一般都采用矢量控制技术。
3.2 永磁同步电机应用广泛
永磁同步电机是利用永磁体建立励磁磁场的同步电机，其定子产生旋转磁场，转子用永磁材料制成，磁场相互作用使转子转动。永磁同步电机具有效率高、转矩和功率密度大、功率因数高、可靠性高和便于维护等优点。
3.3 无刷直流电机成本优势明显
无刷直流电机多为表贴式永磁同步电机，但一般基于hall反馈采用方波换相控制，大大降低了控制器成本，但因受限于转子位置分辨精度差（±30电角度）、控制策略过于简单以及极差的高速弱磁性能，较少作为车用中置驱动电机。
3.4 开关磁阻电机应用受限
开关磁阻电机的定子和转子铁心均由硅钢片叠压而成定，转子冲片均有一齿槽，构成双凸极结构，依定子和转子片上齿槽的多少，形成不同的极数。开关磁阻电机的工作原理遵循“磁阻最小原理”——磁通总是沿磁阻最小的路径闭合，因此，由磁场扭曲而产生磁阻性质的电磁转矩。
4 国内外发展趋势
4.1 基于成本分析
对低压（100vdc以内）、微型、低速（最高70 km/h）纯电动汽车的应用，考虑市场成熟度和成本因素，应优先考虑交流异步电机控制系统，未来可逐渐向内置式永磁同步电机控制系统过渡。
4.2 国内外主流车用低压控制器厂家
目前，中国市场上供应的车用低压交流电机控制器产品的公司主要包括：
（1）国际上专业提供电动车辆交流控制器的厂商，如美国curtis、英国sevcon、意大利zapi、意大利sme、美国danaher、英国pg，这些企业在电动车辆领域积累多年，有成熟的产品，但并非专门针对电动汽车应用，很多产品的市场定位仅为交流电控叉车领域。
（2）国内专业从事电动车辆电机控制器研发生产的公司，如深圳大地和、北京时光科技、上海电驱动、天津松正（提供永磁同步电机控制系统）、上海大郡，交流电机控制器一般在2010年以后研发完成或正在研发之中，功能不够全面，性能不够高、也不够稳定。
（3）国内从事工业用交流电机控制器研发生产的公司，成立车用电机控制器的事业部，如汇川技术。由于车用低压交流控制器与工业用变频器在技术上有一定的相通性，汇川技术利用它在交流电机控制方面的技术优势以及批量生产能力迅速开发出车用交流电机控制器并将其推向市场，但因为企业进入电动汽车领域的时间不长，对需求的把握还有所欠缺。
可见，车用低压交流控制器的市场成熟度不高，未来随着微型汽车电机驱动系统需求量的逐渐增大，相信越来越多的企业会加入到研发、制造车用低压交流控制器的行列中。
4.3 交流电机控制技术的飞跃发展
交流异步电机是一个多变量、非线性、强耦合的复杂系统，这也是其控制难的根源所在。过去的标量控制方法（如v/f控制、滑差频率控制）都是从电机稳态方程的角度研究其控制特性，因此保持定子、气隙或是转子磁链恒定仅有稳态下成立，动态控制效果很不理想。而矢量控制从tm坐标系（m轴按转子磁链的方向定向）下的交流异步电机模型出发，采用矢量变换的方法研究电机的动态过程，不仅控制电流、磁链变量的幅值，同时控制其相位，并利用现代控制理念，巧妙实现了交流电机磁通和转矩的解耦控制，促成了高性能交流异步电机控制系统的出现，控制性能完全可以媲美有刷直流电机。可以说，矢量控制是交流电机控制技术的一次飞跃。随着微处理器技术的发展，数字控制芯片的运算能力和可靠性得到很大提高，这为实施复杂的交流电机控制算法提供了硬件支撑。
5 结束语
目前，可以确定的是，直流电机将逐步被交流电机取代，开关磁阻电机应用还不成熟，然而交流异步电机、永磁同步电机孰优孰劣还难下定论。近年来，在批量生产的日本电动汽车车型上以内置式永磁同步电机为主流，而美、欧开发的电动汽车多采用交流异步电机。
参考文献：
［1］侯卓生.异步电动机的矢量控制与四种新型dsp处理器［j］.西北民族学院学报（自然科学版），2001（03）.
abstract: the pure electric vehicle has become the future development direction of the automotive industry, and micro, low－speed and short－range pure electric passenger vehicle is more suitable for universal. with its popularity, the market demand for low－voltage ac motor controller will be increasing. therefore, research on the development profile and trends of micro－pure electric car with the motor and control technology will provide an important reference for the development of electric vehicle industry.
key words: pure electric vehicle; motor control; development profile; trend