电动汽车电机和控制系统要求
电动汽车对电动机和电机控制系统的要求
摘 要：电动汽车作为人类解决能源和环境问题的汽车工业新技术，已成为国内外汽车研发的热点。驱动电机是电动汽车中的主要部件，起着至关重要的作用。汽车行驶的特点是频繁地启动、加速、减速、停车等，在低速或爬坡时需要高转矩，在高速行驶时需要低转矩。电动机的转速范围应能满足汽车从零到最大行驶速度的要求，即要求电动机具有高的比功率和功率密度。因此，总结电动汽车对驱动电机的要求具有较高的理论和实际意义。
关键词： 电动车 驱动电动机 电动机控制要求 电动机要求
1.1 电动汽车中电动机的应用现状
电动汽车驱动电机的特性曲线如图1.1所示：
图1.1电动汽车驱动电机的特性曲线
这条特性曲线分为两个区域：I区恒转矩区和Ⅱ区恒功率区。电机在恒转矩区运行时转矩保持恒定而功率随着转速的上升而线性增加；电机在恒功率区运行时功率保持恒定而转矩随着转速的上升而呈双曲线减小。为了适应车辆的启动、加速、负荷爬坡、频繁起停等复杂工况，对转矩要求比较高，因此电动汽车主要运行于I区中，即恒转矩运行。而当汽车车速较高，汽车行驶比较平稳时，主要克服行驶阻力，转矩消耗比较小，因此电动汽车主要运行于Ⅱ区[1]，即恒功率运行。为了满足电动汽车的这种特性，电动汽车驱动用电机及其控制系统的要求为：在整个运行范围内具有较高的效率，以提高车辆的续驶里程；有较强的过载能力、快速的动态响应及良好的起动加速性能；调速范围宽，且低速运行时能够提供大转矩；高可靠性、高功率密度、低成本[2]。
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电动汽车电机和控制系统要求
1.2 电动汽车对电动机的要求
电动汽车电动机应满足的主要要求可归纳为如下两大方面,电动机控制系统的要求和电动机本身的要求：
1.2.1 电动车对电动机控制系统的要求
1) 高电压。在允许的范围内，尽可能采用高电压，可以减小电动机的尺寸和导线等装备的尺寸，特别是可以降低逆变器的成本。工作电压由THS的274 V提高到THS B的500 V;在尺寸不变的条件下，最高功率由33 kW提高到50 kW,最大转矩由350 N.m提高到400ON.m。可见，应用高电压系统对汽车动力性能的提高极为有利。但是如果所需的电压过高,则需要串联许多电池,这会引起车内及行李舱空间的减少,车辆的质量以及成本的增加,以及车辆性能的下降。大体上，系统电压收蓄电池质量的限制，电池质量约占整车质量的30%[3]。 2) 转速高。电动汽车所采用的感应电动机的转速可以达到8000—12000 r/min，电动汽车驱动电机的最高转速要求达到在公路上巡航时基速的4~5倍。高转速电动机的体积较小，质量较轻，有利于降低装车的装备质量。
3) 电动汽车驱动电动机要求有高的比功率(电动机单位质量的输出功率)和在较宽的转速和转矩范围内都有较高的效率，以实现降低车重，延长续驶里程; 电动机应具有高效率、低损耗，并在车辆减速时，可进行制动能量回收。 4) 电动机基速以下输出大转矩，通常电动汽车驱动电动机需要有4~5倍的过载，以适应车辆的启动、加速、负荷爬坡、频繁起停等复杂工况，即恒转矩运行。基速以上为恒功率运行，以适应最高车速、超车等要求。
5) 电动机应具有自动调速功能，以减轻驾驶员的操纵强度，提高驾驶的舒适性，并且能够达到与内燃机汽车加速踏板同样的控制响应。
6) 为使多电动机协调运行，要求电动汽车驱动电动机具有高的可控性、稳态精度、动态性能[3]。
1.2.2 电动汽车对电动机本身的要求
1) 质量轻，体积小。电动机可通过采用铝合金外壳等途径降低电动机的质量，各种控制装置和冷却系统的材料等也应尽可能选用轻质材料。
2) 在恶劣条件下可靠工作。电动汽车驱动电动机往往被装在机动车上，空间小，工作在高温、坏天气及频繁振动的恶劣的工作条件下，因此，电动汽车电动机应具有高的可靠性、耐温和耐潮性，并在运行时噪声低，能够在较恶劣的环境下长期工作。
3) 结构简单.适合大批量生产，使用维修方便.价格便宜等。
4) 电气系统安全性和控制系统的安全性应达到有关的标准和规定。电动汽车的各种动力电池组和电动机的工作电压可以达到300 V以上，因此必须装备高压保护设备以保证安全。
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电动汽车电机和控制系统要求
1.3 电动汽车电机驱动系统的发展趋势
1) 驱动电机本体永磁化。永磁电机具有高转矩密度、高功率密度、高效率、高可靠性等优点。我国具有世界最为丰富的稀土资源，因此高性能永磁电机是我国车用驱动电机的重要发展方向。 2) 驱动电机高速化，回馈制动范围宽广高效化。通过提高电机的工作转速，减小电机的体积和质量，进而拓宽回馈制动的范围，采用适当的变速系统及控制策略，可以使回馈制动的允许范围拓宽而适应更多工况，使整车节能更加有效，延长行车里程。
3) 驱动电机控制数字化。专用芯片及数字信号处理器的出现，促进了电机控制器的数字化，提高了电机系统的控制精度，有效减小了系统体积，如采用高功能集成模块、新型薄膜电容一体化技术。
4) 驱动电机系统继承化。通过电机集成(电机与发动机集成或电机与变速箱集成)和控制器集成，有利于减小驱动系统的重量和体积，可有效降低系统制造成本，如动力传动一体化部件，包括电机、减速齿轮、传动轴等等。
1.4 总结
如今有关环保和能源的问题已经成为人们关注的焦点，开发清洁、高效、智能的电动汽车，是21世纪交通可持续发展的必然选择，目前电动汽车电机种类包括直流有刷、永磁无刷、交流感应和开关磁阻等四种电机，其中永磁无刷电机效率最高，它已被广泛用于功率小于100 kW的现代电动汽车上[4]。驱动电机是所有电动汽车必不可少的关键部件，全文分为3个部分，分别阐述了电动汽车中电机的应用现状、电动汽车对电机的要求以及驱动电机的发展趋势。其中第2节从两大方面总结了电动汽车对电机的要求，根据电动汽车对驱动电机的要求，对以后确定电动机合理的控制策略起到至关重要的作用。
参考文献
[1]Tomy S.and Gorden R.S．Operation limited of inverter-driven permanent magnet motor
drives．IEEE Transaction on Industry Applications．1987,Vol 23（3）
[2]许家群.电动汽车用永磁同步电动机传动控制系统的研究．沈阳工业大学博士论文．2003
[3]陈清泉,孙逢春,祝嘉光.现代电动汽车技术.北京理工大学出版社.2002
[4]杨孝纶.电动汽车技术发展趋势及前景(下).中图分类号:U469.72 标识码：A
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