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全球观察：电动汽车电机控制工作原理及优化方案

2022-10-08 17:52:32来源：EDC电驱未来

新能源汽车的三电是指：动力电池、驱动电机、整车电控。

(资料图片)

三电是新能源汽车的核心，在动力电池技术的发展上，不时有新技术与新热点出现。在电控领域，我们的发展一直处于比较初级的阶段。

电控效率的提升，能显著提升纯电动汽车的整车经济性。

电控，广义上电控有整车控制器、电机控制器与电池管理系统。

本文介绍电机控制的的工作原理及优化方案。

01.电机控制器

电机控制器是连接电机与电池的神经中枢，用来调校整车各项性能，足够智能的电控不仅能保障车辆的基本安全及精准操控，还能让电池和电机发挥出充足的实力。

02.电机控制器的工作过程

电机控制器单元的核心，便是对驱动电机的控制。动力单元的提供者--动力电池所提供的是直流电，而驱动电机所需要的，则是三项交流电。因此，电控单元所要实现的，便是在电力电子技术上称之为逆变的一个过程，即将动力电池端的直流电转换成电机输入侧的交流电。

为实现逆变过程，电控单元需要直流母线电容，IGBT等组件来配合一起工作。当电流从动力电池端输出之后，首先需要经过直流母线电容用以消除谐波分量，之后，通过控制IGBT的开关以及其他控制单元的配合，直流电被最终逆变成交流电，并最终作为动力电机的输入电流。如前文所述，通过控制动力电机三项输入电流的频率以及配合动力电机上转速传感器与温度传感器的反馈值，电控单元最终实现对电机的控制。

下图是一个典型的纯电动汽车动力系统电气图，其中蓝色线是低压通讯线，所有通讯、传感器、低压电源等等都要通过这个低压接头引出，连接到整车控制器和动力电池管理系统。

红色线为高压动力线。两对高压接口。一对输入接口，用于连接动力电池包高压接口；另外一对是高压输出接口，连接电机，提供控制电源。

电机工作原理的不同，直接影响调控过程的复杂程度和精确性。

按照控制从易到难排列，分别是直流无刷电机，永磁同步电机，开关磁阻电机，异步电动机。

电控的难易，既包括硬件系统设计的规模大小、造价高低，也包括软件算法实现的控制精度高低和为了达到这个精度所采用的策略和方法的鲁棒性的好坏。

人们期待得到的是硬件结构简单，软件算法简洁，控制精度高，系统稳定性好的控制系统。

03.电机控制器主电路选择

选择依据：电机控制器作为一部特定功能的逆变器，它利用电力电子技术中的调压调频技术，将动力电池中存储的直流电，调制成控制电机所需的矩形波或者正玄波交流电，改变输出电力的电压、电流幅值或者频率，进而改变电机转速、转矩，达到控制整车速度、加速度的目的。

电力电子电路设计，根据不同的调速需求，做出复杂程度不同，造价也不同的设计。

例如针对直流电机的控制。若采用单管斩波器电路，只能单向调速，电流不能换向；若采用双管斩波器电路，可以实现能量回馈动作，但是还是不能使得直流电机换向；若采用H桥型斩波电路，可以直流电机调速，可以能量回馈，可以励磁电流可以反转。

但是以上的三个选择，一个比一个复杂，一个比一个造价高。需要设计者在性能和成本之间做出选择，最贵的不一定是最好的，最适合的才好。

04.分布式驱动电动汽车集成式控制

分布式驱动电动汽车可控性好、传动链短、结构紧凑、车内空间利用率高等优点，一直是研发的焦点。而且各个车轮的驱动电机均能独立控制，通过电机转矩的合理分配，充分利用电机高效区间，并结合回馈制动策略，能够提高车辆的经济性。

为了提升控制系统对于车辆参数、状态以及车辆行驶环境适应性，需要设计满足控制需求的状态估计与参数辨识算法，同时保证控制-估计系统的稳定性，而分布式驱动为车辆状态估计算法提供了更大的可能。

为了保证分布式驱动电动汽车在复杂工况下的良好行驶性能，解决多控制目标、多控制功能、多执行器和多维运动的协调问题，集成控制成为分布式驱动电动汽车动力学控制当前的研究重点。

传统的独立设计的控制器有各自明确的控制目标。但是各系统间存在一定程度上的功能重叠和干扰，因此，多个执行系统的动作分配和多个控制目标的协调便是系统集成控制策略的关键。

集成控制系统架构

05.电控系统效率优化技术

电控系统效率提升1%，对整车经济性以及重量都很有优势，效率优化技术包括载频动态调整、DPWM发波技术、过调制技术、广域高效HSM电机。

载频动态调整技术

电控系统最主要的损耗来源是逆变器部分，逆变器损耗70%来自开关部分。

从开关损耗角度降低，研究了载频动态调整技术。通过仿真试验发现，调整开关频率后，控制器效率最大可以提升2%左右，使用动态载频率技术，尤其是在低转速，对载频要求不那么高的时候，调整载频可以有效降低控制器的损耗，提供控制器的效率，初步预计每100公里可以提供1.5公里左右，载频不能无限制下调，还需要考虑整车噪音和电机控制的需要。

DPWM发波技术应用

不连续发波的技术应用，采用DPWM技术比COWM技术减少1/3的开关次数，可以显著降低开关次数，达到减少开关损耗的目的。

当调制比M>0.816，CPWM和DPWM调制下的谐波近似相同。此区域可采用DPWM技术以降低器件损耗。

过调制技术应用

控制器损耗包括开关损耗和导动损耗。导动损耗与输出电流有很大关系，输出功率一定的情况下，输出电流降低对应输出电压需要相应提高。

通过加入过调制，能有效提高弱磁区输出功率和输出转矩，提高输出电压4%，峰值功率对应提高4%左右，改善整车在高速的动力性能；

通过加入过调制，输出相同功率，电流会明显降低，能减小系统发热，提高控制器的过载能力，改善整车动力性能；

通过加入过调制，能有效提高基波电压，与没有过调制相比，可以有效提高电机效率，电机电流能明显减小（0~8%），效率提高可以有效延长续航里程。

广域高效HSM电机

除了电控效率提升，还包括电机效率提升。

HSM电机混合同步电机，相比IPM电机可以兼顾低速区效率和高速区效率。HSM尤其在中高速恒功率运行区域内，效率优势更加明显。试验发现在低速区、高速区，HSM效率高于常规IPM电机，总体来看使用HSM技术之后可以提高电机效率。

在公交车与团体车工况下，IPM与HSM电机进行对比，HSM电机占优势。