霍本杰，韋思如

（柳州五菱柳機(jī)動(dòng)力有限公司，廣西 柳州545005）

0 前言

現(xiàn)階段，交流異步電動(dòng)機(jī)主要應(yīng)用于以特斯拉為首的美國(guó)汽車公司和一些歐洲公司。一方面，這與特斯拉最初的技術(shù)路線選擇有關(guān)。交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)價(jià)格便宜，體積大，不妨礙美國(guó)汽車。另一方面，美國(guó)高速公路網(wǎng)的發(fā)展，以及交流電機(jī)的高速效率性能好。在中國(guó)、日本等國(guó)家利用最普遍的新能源汽車電機(jī)依舊是永磁同步電機(jī)。符合國(guó)內(nèi)道路條件是關(guān)鍵要素，永磁同步電機(jī)在不斷啟停、加減速環(huán)節(jié)里可以維持高效率，是高速公路網(wǎng)有限工況下的有效選擇。此外，中國(guó)稀土儲(chǔ)量豐富，日本稀土永磁產(chǎn)業(yè)的支撐基地也是一個(gè)重要因素。目前，永磁同步電機(jī)占中國(guó)新能源汽車使用量的90%以上。新能源汽車電機(jī)技術(shù)要求很高，永磁同步電機(jī)的作用最大。驅(qū)動(dòng)電機(jī)是新能源汽車的3大關(guān)鍵裝置之一。相比較于傳統(tǒng)工業(yè)電機(jī)，新能源汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)擁有更大的性能指標(biāo)。從整體技術(shù)來(lái)看，永磁同步電機(jī)擁有極佳的地位，可以標(biāo)志新能源汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)的成長(zhǎng)指標(biāo)。因?yàn)橹袊?guó)稀土儲(chǔ)量很富饒，電機(jī)技術(shù)達(dá)到世界高級(jí)水平，預(yù)計(jì)永磁電機(jī)會(huì)長(zhǎng)時(shí)間占領(lǐng)中國(guó)新能源汽車的電機(jī)市場(chǎng)。

1 新能源汽車

新能源汽車是指利用專門的汽車燃料充當(dāng)動(dòng)力源，利用汽車動(dòng)力控制和驅(qū)動(dòng)技術(shù)，做成發(fā)達(dá)技術(shù)與先進(jìn)結(jié)構(gòu)的汽車。

新能源汽車有純電動(dòng)、大范圍電動(dòng)、混合動(dòng)力、燃料電池電動(dòng)、氫動(dòng)力等新能源汽車。在混合動(dòng)力汽車?yán)铮妱?dòng)機(jī)是發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的輔助動(dòng)力，但應(yīng)該規(guī)范電池組的質(zhì)量與整車的性能，進(jìn)而降低混合動(dòng)力汽車的總體性能。因此，通用發(fā)電機(jī)只有在HEV發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)、車輛啟動(dòng)、加速或者爬升時(shí)才可以運(yùn)轉(zhuǎn)。發(fā)電機(jī)是發(fā)動(dòng)機(jī)的飛輪，功能是調(diào)控發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率。發(fā)電機(jī)也起著發(fā)電的功能，將發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)能轉(zhuǎn)變成電能保存在電池組之中。HEV下坡或者制動(dòng)的時(shí)候，汽車的慣性動(dòng)能轉(zhuǎn)變成電能保存在電池組中。所以，混合動(dòng)力汽車具有電動(dòng)機(jī)的輔助功能，可以使混合動(dòng)力汽車滿足節(jié)能和“超低污染”的要求。電動(dòng)機(jī)類別很多，利用范圍大，功率范圍很高。然而，混合動(dòng)力汽車使用的電機(jī)類型較少，功率范圍也較小。目前主要使用的是交流電機(jī)、永磁電機(jī)和開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)，無(wú)論是電機(jī)本身還是控制裝置，成本都比較高。然而，隨著電子計(jì)算機(jī)控制和電機(jī)機(jī)電一體化的加速發(fā)展，許多新技術(shù)正逐步應(yīng)用于混合動(dòng)力汽車（HEV）的電機(jī)。一旦大規(guī)模生產(chǎn)形成，電機(jī)甚至整車的成本都會(huì)大大降低。

新能源汽車的主流電機(jī)有直流、異步與永磁同步電機(jī)。永磁同步電機(jī)擁有調(diào)速范圍廣、功率密度大、工藝簡(jiǎn)單、體積小、運(yùn)行可靠耐用等特點(diǎn)，已成為主流。在電動(dòng)汽車發(fā)展的早期，直流電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)得到了廣泛的應(yīng)用。然而，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)繁瑣，瞬時(shí)過(guò)載性能與電機(jī)轉(zhuǎn)速有限制。長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)會(huì)引發(fā)損失，增加維護(hù)成本。此外，電刷在電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)流程中出現(xiàn)的火花會(huì)讓轉(zhuǎn)子發(fā)熱，會(huì)造成高頻電磁制約，影響汽車其他電器的性能。因此，目前電動(dòng)汽車行業(yè)已經(jīng)基本淘汰了直流電機(jī)。盡管異步電動(dòng)機(jī)費(fèi)用小，管理便捷，然而效率很小，調(diào)速性能差。使用的模型很少，但也有一些主流模型。從目前來(lái)看，這種類型的電機(jī)不會(huì)成為一種趨勢(shì)。永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)和直流電機(jī)類似，無(wú)刷直流電機(jī)擁有結(jié)構(gòu)單一、運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定、功率密度大、調(diào)速性能高等特征。并且，因?yàn)橛来磐诫姍C(jī)利用與直流電機(jī)不一致的驅(qū)動(dòng)模式，因此永磁同步電機(jī)在噪聲和控制方面具有優(yōu)勢(shì)[1]。

2 永磁同步電機(jī)

永磁同步電機(jī)是經(jīng)過(guò)永磁勵(lì)磁出現(xiàn)同步旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的同步電機(jī)。永磁起轉(zhuǎn)子的功能，出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。三相定子繞組在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)作用下經(jīng)過(guò)電樞反應(yīng)，引發(fā)三相對(duì)稱電流。而且，轉(zhuǎn)子的動(dòng)能轉(zhuǎn)變成電能，永磁同步電機(jī)充當(dāng)發(fā)電機(jī)。除此之外，定子側(cè)接三相對(duì)稱電流的時(shí)候，因?yàn)槿喽ㄗ釉诳臻g位置相差120，因此三相定子電流在空間中出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)經(jīng)受電磁力的制約。這時(shí)電能轉(zhuǎn)變成動(dòng)能，永磁同步電動(dòng)機(jī)充當(dāng)電動(dòng)機(jī)。

2.1 永磁同步電機(jī)優(yōu)點(diǎn)

（1）高效率：由于其勵(lì)磁磁場(chǎng)（轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)）是由磁鐵提供的，所以部分勵(lì)磁磁場(chǎng)所需的電能被省略。

（2）調(diào)速范圍大：由于他是永磁體作為勵(lì)磁磁場(chǎng)，調(diào)節(jié)電流和頻率可以在很大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)電機(jī)的功率和轉(zhuǎn)速。

（3）體積小，重量輕（因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積與重量都較小）。

（4）發(fā)熱小，密封性強(qiáng)，免維護(hù)。

2.2 永磁同步電機(jī)工作原理

定子通交流電后出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)吸引轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)就是轉(zhuǎn)子跟隨定子磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)。汽車使用的電機(jī)大部分是永磁同步電機(jī)，大部分是內(nèi)嵌式同步電機(jī)，其主要原因是內(nèi)嵌式同步電機(jī)充分利用了磁阻轉(zhuǎn)矩。磁阻轉(zhuǎn)矩對(duì)電機(jī)系統(tǒng)的影響是相同的電機(jī)電磁場(chǎng)制度下，相同的扭矩可以減少釋放電流，這有利于提高發(fā)動(dòng)機(jī)的效率在低速和高扭矩，并減少控制器的主要組件，為降低成本創(chuàng)造了條件。在相同的控制器硬件條件下，高磁阻轉(zhuǎn)矩電機(jī)比低磁阻轉(zhuǎn)矩電機(jī)具有更高的帶速，這有利于提高電機(jī)高速小轉(zhuǎn)矩的工作效率，改善電磁噪聲，提高電機(jī)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速范圍，下圖1是永磁同步電機(jī)構(gòu)成圖。

圖1 永磁同步電機(jī)構(gòu)成圖

3 新能源汽車永磁同步電機(jī)的控制

新能源汽車永磁同步電機(jī)的控制比較繁瑣，有矢量控制（磁場(chǎng)方向控制）、直接轉(zhuǎn)矩以及恒壓頻比開(kāi)環(huán)等多種控制模式[2]。

3.1 矢量控制

矢量控制的原理是以轉(zhuǎn)子磁鏈旋轉(zhuǎn)空間矢量作為參考指標(biāo)，將定子電流分解成為2個(gè)互相正交的分量：一個(gè)與磁鏈方向類似，展示定子電流激勵(lì)分量，另一個(gè)與磁鏈方向?yàn)檎＝稽c(diǎn)闡釋定子電流轉(zhuǎn)矩分量，獨(dú)自把控。永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)速與工頻嚴(yán)格同步，轉(zhuǎn)差率一直是零，控制能力受轉(zhuǎn)子參數(shù)制約很低，矢量控制在永磁同步電機(jī)上更容易達(dá)到。因?yàn)榘芽亟Y(jié)構(gòu)不復(fù)雜，控制軟件容易達(dá)到，在調(diào)速網(wǎng)絡(luò)里有普遍的利用空間。

3.2 直接轉(zhuǎn)矩控制

直接轉(zhuǎn)矩控制在矢量控制中不需要旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換和轉(zhuǎn)子磁鏈，轉(zhuǎn)矩把電流替換成被控對(duì)象。電壓矢量是控制網(wǎng)絡(luò)里獨(dú)立的輸入。電壓矢量直接控制轉(zhuǎn)矩于磁鏈的提高或者降低?？刂茦?gòu)成不復(fù)雜，受電機(jī)參數(shù)變化的影響，可實(shí)現(xiàn)優(yōu)良的動(dòng)態(tài)性能。由于直接轉(zhuǎn)矩控制需要結(jié)合電動(dòng)汽車運(yùn)行過(guò)程中復(fù)雜的工況，直接轉(zhuǎn)矩控制難以應(yīng)用于電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)。

3.3 恒壓頻比開(kāi)環(huán)控制

恒壓比開(kāi)環(huán)控制的控制損耗是電機(jī)的外部損耗，便是電壓與頻率?？刂凭W(wǎng)絡(luò)把參考電壓與頻率輸入達(dá)到控制策略的調(diào)節(jié)器。再次，逆變器出現(xiàn)一個(gè)交變正弦電壓，作用于電機(jī)的定子繞組，使它在預(yù)定的電壓于頻率下運(yùn)轉(zhuǎn)。

恒壓頻比開(kāi)環(huán)控制策略簡(jiǎn)單易行，速度由工頻控制。但恒壓頻比開(kāi)環(huán)控制策略沒(méi)有引入轉(zhuǎn)速、位置等反饋信號(hào)，難以及時(shí)捕捉電機(jī)情況，難以精確把控電磁轉(zhuǎn)矩。當(dāng)一個(gè)負(fù)載突然被加載或加速時(shí)，極易產(chǎn)生失步。除此之外，它缺乏快速的動(dòng)態(tài)回應(yīng)特征，控制水平略低。一般僅僅應(yīng)用于有調(diào)速技術(shù)需求的常用變頻器。

3.4 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的主要性能控制

（1）全功率輸出的最小工作電壓：額定電壓不重要，應(yīng)該注意車輛的電機(jī)都是交流，但數(shù)據(jù)通常由制造商是直流數(shù)據(jù)需要轉(zhuǎn)換成一個(gè)交流值，并把直流電源轉(zhuǎn)換為交流電源。當(dāng)通過(guò)控制器時(shí)，這個(gè)步驟需要一部分電壓。

（2）最大工作相電流：主機(jī)工廠提供的數(shù)據(jù)不能使用，控制器的IGBT能力需要結(jié)合。

（3）峰值扭矩：對(duì)于商用車客戶來(lái)說(shuō)，有可能阻塞扭矩值。

（4）峰值功率：應(yīng)該清楚峰值功率是什么速度。

（5）額定功率/扭矩：長(zhǎng)期運(yùn)行的工作點(diǎn)稱為額定功率，而對(duì)于OEM來(lái)說(shuō)，合理的額定功率應(yīng)該是連續(xù)的扭矩和功率。例如，電動(dòng)機(jī)高速運(yùn)行時(shí)的功率可視為額定功率。考慮縫制速度下的額定功率。

（6）最大工作速度：最高工作速度包括最高工作速度下的功率、最高速度下的反電勢(shì)、最高速度下的機(jī)械應(yīng)力（高速下是否穩(wěn)定）。

（7）NVH：齒槽扭矩低，反電動(dòng)勢(shì)譜為負(fù)。

（8）效率：這里需要注意的數(shù)據(jù)是電機(jī)最常用的效率，也需要注意高效率區(qū)域，以適當(dāng)匹配客戶的需求。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文分析了目前新能源汽車中電機(jī)的現(xiàn)狀，對(duì)永磁同步電機(jī)在新能源汽車中的應(yīng)用原理以及應(yīng)用指標(biāo)展開(kāi)了分析，最后指出新能源汽車永磁同步電機(jī)的應(yīng)用控制，一起促進(jìn)新能源汽車的更好性能。