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新能源汽车与电动机控制
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新能源汽车与电机驱动控制技术
中国电工技术学会电力电子学会第十一届学术年会新能源汽车与电机驱动控制技术王旭东 周永勤 吴晓刚哈尔滨理工大学电气与电子工程学院，哈尔滨 150040 Email：摘 要 介绍了新能源汽车国内外发展现状， 包括国外有关新能源汽车的政策法规和国内新能源汽车研发进展情况。 无论是纯电动汽车、 混合动力汽车还是燃料电池汽车都离不开电机驱动控制技术。 因此文中结合新能源汽车讨论了有关电机驱 动控制技术，表明了电力电子技术在新能源汽车中具有广阔的应用前景。 关键词 新能源汽车，电力电子，电机，驱动控制1．引言随着全球经济的高速发展，能源和环境问哥哥干日益 突出，节约能源、保护环境已成为世界各国共同面临 的重大挑战。传统汽车对单一石油哥哥干的依赖性已引 起了石油短缺，其尾气排放正严重地污染着环境，合 理利用哥哥干和开发清洁替代燃料实现交通能源可持续 发展势在必行。 汽车能源将逐渐由石化燃料向可再生、 低排放的能源形式过渡，生物燃料和氢能将是汽车能 源的最终解决方案。但是在生物燃料和氢能最终替代 化石燃料前，汽车能源将呈现多元化局面，汽柴油混 合动力车是近期的解决方案[1-2]。汽车能源多元化、汽 车动力电气化和汽车排放洁净化是新能源汽车的主要 发展趋势，它包括混合动力汽车、纯电动汽车(BEV， 包括太阳能汽车)、燃料电池电动汽车(FCEV)、氢发动 机汽车、其他新能源(如高效储能器、二甲醚)汽车等。 新能源汽车的技术核心体现在车载能源系统、驱动系 统和控制系统上[3]。 电力电子技术是现代汽车的核心控制技术之一， 它在新能源汽车的发展中起着越来越重要的作用。在 混合动力汽车中，除了混合动力汽车所需的储能系统 外，电力电子装置是最重要的子系统，其电气系统的 核心部件包括电机（发电机/电动机） 、电力电子驱动 控制器和直流电压变换器等；在电动汽车上，动力唯 一来源于电力，电力驱动控制系统可以说是整车的心 脏，电力驱动控制系统的核心部分为电机和驱动控制 器，其中驱动控制器所涉及到的研究内容主要是电力 电子技术[4]。电力电子技术的快速发展将有力地推进 新能源汽车的进程，同样，新能源汽车的推广和应用 将给电力电子带来广阔的应用前景。2．国外新能源汽车的发展及相关政策世界各国十分重视可持续交通能源的发展， 美国、 日本、欧盟等国家和地区都将发展安全经济和清洁的 交通能源作为国家能源战略和汽车产业发展战略的重 要内容，并通过制定相应的法律法规、设定专项计划、 出台扶持政策等措施，大力支持新能源汽车的研发。 作为当前汽车新技术的代表，国外混合动力汽车 正由小批量生产阶段进入快速增长的产业化初期阶 段，国外在乘用车市场上陆续推广混合动力车，目前 丰田累计产销量超过百万辆，美国福特公司在推出 ESCAPE 牌混合动力汽车的基础上，还将推出四款混 合动力汽车，通用、戴克、大众、雪铁龙、雷诺、宝 马、日产、现代及三菱等世界著名汽车公司都在加紧 开发混合动力汽车，并逐步推向市场。燃料电池汽车 目前处于研究开发和示范运行阶段，在关键技术上正 不断取得突破。纯电动汽车技术，也在不断取得进步， 现阶段主要用于区域运营[5]。 国外鼓励节能环保和新能源汽车的具体政策主要 包括：激励性的财税政策、强制性的技术法规、综合 性的交通管理措施、基础研究和运行实验的扶持和资 助。美国在 2005 年修订的能源法案中提出，今后 5 年 国家投入 40 亿美元用于电动汽车技术研发、 示范运行 及产业化。日本政府补贴电动汽车成本增加额的 50% 给消费者。3．我国新能源汽车的现状与 863 计划我国作为发展中国家，面临的挑战比发达国家更 加严峻，在我国经济快速增长、各项建设取得巨大成 就的今天，加快汽车工业技术创新，实现我国交通能 源可持续发展势在必行，为此，我国加快了新能源汽 车的研发，“九五”期间，我国组织实施了“清洁汽车行 动”，取得了重大阶段性成果。 “十五”期间，我国组黑龙江省科技攻关项目（资助号：ZB07Z101）织实施了“电动汽车重大科技专项”，国家投入 8. 8 亿中国电工技术学会电力电子学会第十一届学术年会元，全国 200 余家单位直接参与实施，并初步形成了 管、产、学、研合作机制。目前，小型纯电动车辆己 经开始小规模产业化，混合动力汽车己有多个车型通 过国家认证成为产品，燃料电池汽车己进入示范考核 运行阶段。自主开发的燃料电池、动力蓄电池、电机 和驱动控制系统具备批量化生产能力[6]。 为了推动节能与新能源汽车产业化，“十一五”期 间国家设立了“863”计划节能与新能源汽车重大项目。 该项目的总体布局如图 1 所示， 建立以燃料电池汽车、 混合动力汽车和纯电动汽车动力系统技术平台为“三 纵”， 以燃料电池和动力蓄电池技术， 电驱动系统技术， 以及共性基础技术为“三横”的电动汽车“三纵三横”的 研发布局，建立电动汽车系统技术和关键零部件产业 化技术体系，支撑电动汽车产品规模化开发；代用燃 料汽车以整车和关键技术的研发、示范应用和市场推 广为重点，同时进行新型燃料的应用研究；推动构建 技术标准、政策法规、知识产权服务和信息数据库等 公共服务平台。形成“十一五”节能与新能源汽车重大 项目的总体研发体系。整车产品 开发路拓扑结构设计，高比能量密度、高比功率密度、高 效率的模块的研究与开发，超快速响应动态特性的设 计与工程应用，复合全数字化控制策略、控制算法及 控制系统设计与优化，电磁兼容性改进设计与试验， 系统高可靠性设计，模块化设计、结构设计及产业化 的成套制造装配工艺的研究等均为电力电子技术研究 的热点问哥哥干。 除此以外 863 计划现代交通技术领域“节能与新 能源汽车”重大项目中关于驱动电机的研究中，研究 内容可分为电机本体和电机的驱动控制器，电机驱动 控制器所涉及到的技术内容，无疑主要是电力电子技 术。4．新能源汽车中的电机驱动控制新能源汽车在运行工作时对驱动系统的要求很 高。新能源汽车使用的电机应具有瞬时功率大、过载 能力强、加速性能好、使用寿命长的特点。同时必须 具有宽的调速范围，包括恒转矩区和恒功率区，在恒 转矩区低速运行时有大转矩， 以满足起动和爬坡要求，各燃料电池汽车 动力系统技术平台类整车产品代 用 燃 料 汽 车 研 发 及 新 型 燃 料整车动力系统 集成技术混合动力汽车 动力系统技术平台纯电动汽车 动力系统技术平台关键零部 件技术 共性基础 技术燃料电池发动机、动力蓄电池、超级电容---驱 动 电 机 、 电 机 传 动 系 总 成 、 发 动 机 - 新材料、新器件、共性技术、基础设施相关技术--公共支撑 平台建设检测试验 技术标准 政策法规 示范运营 产业融资 知识产权 技术信息 图 1 “节能与新能源汽车”重大项目总体布局在恒功率区低转矩时有高的速度，以满足在平坦 在 2006 年度国家 863 计划现代交通技术领域 “节 能与新能源汽车”重大项目电动汽车部分中共涉及 5 种类型、30 个研究方向的研究课哥哥干，这其中“动力系 统技术平台”课哥哥干涉及以新型动力系统为特征的电动 汽车整车关键技术研究。 该类课哥哥干涉及到动力蓄电池、 电机、电机驱动控制器、燃料电池发动机、DC/DC 变 换器等相关零部件的开发。关于车用大功率 DC/DC 变 换器研发的主要内容为：新型高效低功耗软开关主电 路面能高速行驶；需具有在减速时实现再生制动的能 力，将能量回收并反馈回蓄电池，使新能源汽车有最 佳的能量利用率；在整个运行范围内有高的效率，以 提高 1 次充电的续驶里程。另外，要求可靠性好，能 在较恶劣环境下长期工作；结构简单、适应大批量生 产；运行噪声低、使用维修方便，价格便宜等[7-8]。 驱动电机的性能直接决定驱动系统性能。在新能 源汽车中，电动机的选型原则一般有以下几点[9]：中国电工技术学会电力电子学会第十一届学术年会1） 高性能、低自重、小尺寸； 2） 在较宽的转速范围内有较高的效率； 3）电磁辐射尽量小； 4）成本低。 另外，电动机的选用还要综合考虑其控制系统的 特点，能实现双向控制，回收制动再生能量。目前， 在新能源汽车上可以采用的驱动电机主要有直流电 机、交流异步电机、永磁同步电机和开关磁阻电机等 [10]。 所采用的这些电机的主要优缺点可如表 1 所示[11]。 表 1 新能源汽车驱动电机比较 直流电 机 功率密度 转矩转速 特性 转速范围 易操作性 可靠性 结构的坚 固性 尺寸及质 量 成本 控制器成 本 差 一般 4000～ 6000 最好 差 差 大，重 高 低 交流异 步电机 一般 好 9000～ 15000 好 好 好 一般， 一 般 低 高 永磁同 步电机 好 好 4000～ 15000 好 一般 一般 小，轻 高 高 开关磁 阻电机 一般 好 &15000 好 好 好 小，轻 低于感 应电机 一般15000r/min，其转矩-转速特性较好，在较宽的转速范 围内，转矩、速度可灵活控制，有高的起动转矩和低 的起动功率的特性，但工作时转矩脉动大，噪声也较 大，体积比同功率的异步电机要大一些。开关磁阻电 机的控制系统较复杂，调节性能和控制精度要求高[1314]。4.3交流异步电机 交流异步电机的转子为笼型结构，定子嵌有三相绕组。汽车中的交流异步电机可如图 2 所示，电机的 转子常采用空心式结构，这种结构简单牢固，适于高 速旋转，免维护，且成本较低[15]。图2汽车用交流异步电机4.4永磁同步电机 随着成本的降低和可靠性的提高，永磁同步电机驱动系统在新能源汽车中将得到一定范围的应用，其 效率可达到 97％、体积最小、重量最轻、无直流电机 的换向器和电刷缺点[16]。目前很多新能源汽车都采用 永磁同步电机，例如丰田 Prius 采用的永磁同步电机， 最大功率为 50kW，最高转速为 11000r/min,最大转矩 为 115N·m/4200rpm，最高车速 180km/h，0 ~100km/h 加速时间为 10. 9s；福特 Escape Hybrid 采用的永磁同 步 电 机 ， 最 大 功 率 为 70kW ， 最 大 转 矩 为 175N·m/4500rpm；本田 FCX 燃料电池概念车采用的 永磁同步电机，最大功率为 80kW，最大转矩为 2 725N·m，最高车速 150 km/h[17]。 永磁同步电动机由电机本体和转子位置传感器组 成。永磁同步电动机结构简单，永磁同步电动机有内 转子和外转子两种结构，其中外转子结构常用于嵌装 在汽车车轮轮毂内，即可实现直接驱动——轮驱 [18]。 轮驱要用多台电动机，但取消了传动系统部件，使整 车结构大为简化，质量大为减轻，且无机械磨损和噪 声，提高了车辆运行效率和使用效益，降低了成本， 提高了可靠性。内转子永磁同步电动机在汽车中常用4.1直流电机 几乎所有的早期电动汽车都采用直流电动机驱动系统。在可控硅整流器件出现前，电动汽车的速度控 制是通过机械式开关改变蓄电池串联个数，以达到改 变电机电枢电压来实现的。 这种调速方法是有级调速， 且效率低，可靠性较差。在可控硅整流器件出现后， 驱动电机的控制可以采用 PWM 调制的直流斩波控制， 但是直流电机效率低下，其换向器和电刷需要经常性 的周期维护，运行成本高，运用场合有很大的局限性， 可靠性差。再加上该种电机成本高、体积大、质量大， 所以随着高性能的交流调速系统的出现，直流电机驱 动已基本上被淘汰[12]。 4.2 开关磁阻电机 开关磁阻电机是一种新型电机，它的结构比任何一 种 电 机 简 单 ， 效 率 可 达 85%~93% ， 转 速 可 达中国电工技术学会电力电子学会第十一届学术年会于安装汽车发动机和变速箱之间，因此在结构上要求 电机要薄， 3 为本田混合动力汽车永磁同步电动机， 图 图 4 为哈飞汽车开发的混合动力汽车永磁电动机定 子。路的拓扑结构也是基本相同的。但是，为了提高驱动 控制器的效率和减小电磁干扰。在一些控制器中采用 了软开关技术，图 6 a 为驱动控制器没有采用软开关 技术导通时的电压、电流和功率的波形，图 6 b 为驱 动控制器采用了软开关技术后导通时的电压、电流和 功率的波形。图3本田混合动力汽车用永磁同步电动机a) 普通开关导通时 图6b)采用软开关导通时驱动控制器不同控制开关导通时 的电压、电流和功率波形电机驱动控制器的设计是整个新能源汽车系统设图4 哈飞赛豹汽车混合动力汽车用永磁电动机定子计中的重点和难点。新能源汽车中的电机驱动控制器 一方面要求效率高，电磁干扰小。另一方面要求环境 适应性强，工作可靠和体积小。图 7 是哈飞赛豹汽车 用的电机驱动控制器。该控制器采用的是水冷工作方 式。其结构主要由主电路、功率驱动电路、以单片机 为核心的控制电路和保护电路等部分构成。4.5电机驱动控制器 永磁电动机调速系统主要由电机本体、转子位置传感器和驱动控制器组成。在控制方式主要有矢量控 制和直接转矩控制。直接转矩控制的思想首先在三相 感应电动机的转矩控制中得以实现，之后人们对直接 转矩控制在永磁同步电动机的应用进行了理论分析和 实验研究，尽管有些技术问哥哥干尚待解决，但已取得的 研究成果表明，永磁同步电动机的直接转矩控制技术 正在逐步完善并得到广泛应用。 与电流矢量控制比较， 直接转矩控制的优点在永磁同步电动机控制中也得到 了充分的体现。 无论采用何种控制方式，汽车用永磁同步电动机 调速系统的结构基本相同，如图 5 所示。图7哈飞赛豹汽车永磁同步电动机驱动控制器5．结论本文介绍了新能源汽车国内外发展现状，包括国 外有关新能源汽车的政策法规。通过对国家 863 计划 现代交通技术领域“节能与新能源汽车”重大项目研 究内容的分析，可以看出无论是混合动力汽车、燃料 电池汽车和纯电动汽车中都涉及到电机的驱动控制器 等电力电子装置和电力电子技术。电力电子技术的发 展能提高电机驱动控制技术的水平，将有力地推进新 能源汽车的进程，新能源汽车的推广和应用将给电力 电子带来广阔的应用前景。图5新能源汽车永磁同步电动机调速系统的基本结构对于三相永磁同步电动机而言，它的驱动器主电中国电工技术学会电力电子学会第十一届学术年会参考文献[1] [2] [3] 庚晋. 新能源汽车[J]. 交通与运输, 2008(2): 28-30. 杨妙梁. 新能源汽车的技术开发与市场动向[J]. 汽车与 配件, 2006(1): 36-37. 欧阳明高.我国节能与新能源汽车发展战略与对策[J]. 汽车工程, 2006(4): 317-321. 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北汽新能源EV200电动汽车搭载的电机性能怎么样？
已经关注了一段时间电动汽车，ev系列、江淮、奇瑞各种品牌的车也都试驾过，综合下来比较喜欢ev200。不过因为电动车还是属于新事物，对于电动车的电机这些硬件还不是很了解，4S店销售的话也不敢全信，所以来问问大家硬件方面的知识。
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相当于传统1.8排量的自然吸气发动机的最大扭矩，安全性能领先同级别产品，最高效率≥ 90% ，是汽油发动机的3-4倍，为整车提供充沛动力；对比C30DB最大功率提升18%北汽新能源EV200配备的高效率永磁电机，该电机最大功率可达30&#47，使得起步加速犀利无比。这款电机是由北汽新能源自主研发，达到行业先进水平技术;53千瓦；配备了高效率永磁电机;180牛米；四是轻量化设计有利于整车减重、实现省电效果、体积小，在安全可靠性方面，具备了高低压互锁功能，续驶里程长。最大扭矩高达102&#47、防护等级高、高扭矩输出；对比E150EV最大扭矩提升25%，额定扭矩提升60%；三是大功率，具有效率高，额定功率提升50%；五是效率高，低速峰值动力无间隙、重量轻及可靠性高等优点，系统最高效率可达95%，为整车提供充沛动力：使得EV200的加速能力、爬坡能力大幅提高
汽新能源电动车的驱动电机采用永磁同步电机，工作原理是转子采用三幅或四幅的永磁体，定子为通电绕组，并且免维护寿命长的特点，电机即旋转，即产生转矩，通电绕组产生的磁场与永磁场相互作用。该电机具有效率高节能、高转速、扭矩大、重量轻的特点
北汽新能源还不错，本身北汽就是老品牌了，对生产线啊质量啊之类的把控还是比较严格的，ev200的电池是SK三元电池，电控技术是国际先进的，电机也不赖，好像是高效率永磁电机，性能钢钢滴。
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不久前一位朋友在等红灯的时候，突然汽车就熄火了，朋友当时就有点慌了，感觉肯定是自己爱车的电机坏了，后来在马路边上重新启动重新恢复了正常，而且也没有发现爱车有啥问题，所以就跟维修店打电话，其实汽车熄火原因很多，如果不去检查还真没法说。那么汽车行驶途中为啥就会突然熄火呢？接下来咱们就来说一说。
1、节气门、怠速马达
首先节气门、怠速马达积碳过多的话，有可能会造成溜车熄火的现象，还有可能打火但不着车的现象，这时候需要踩点油门配合进气打火。不过如果节气门位置传感器数据不准确也会熄火的现象，一般传感器坏掉会引发车辆怠速过高的现象。
2、燃油系统故障
燃油泵工作不良，燃油管路压力太低，燃油压力传感器故障，喷油嘴堵塞等等都可以引发熄火。
3、发电机、蓄电池等供电系统故障
如果发电机不能正常发电，那么就要检查发电机皮带等相关的零部件是否能正常工作，如果电机皮带断了会缠的到处都是，非常麻烦。这里还要说一说正时皮带，如果正时皮带断了就会顶气门，车辆就会熄火，严重的还会导致发动机损坏。
4、传感器故障
曲轴位置传感器、凸轮轴位置传感器，一个监测发动机转速，另一个确定发动机该何时点火，任意一个出现故障，都会引发发动机就会突然熄火或者无法启动。节气门位置传感器、进气流量传感器、进气压力传感器等故障也会出现相同问题。
5、点火系统故障
发动机如果存在缺缸的情况，那么某个火花塞、点火线圈、缸线故障或是点火模块故障等等。
6、废气再循环系统故障
废气再循环在怠速的时候是不参与发动机工作的，但是挡废气循环阀损坏了，那么废气就会参与燃烧，同样也会引发故障。
7、水温传感器数据不准确
如果不准确也会造成热车后熄火打不着的现象，这个去维修店电脑检测一下数据就可以了。
熄火后应该怎么做
汽车熄火后一般都可以重新启动，为了安全起见最好将车辆停到路边，打开双闪，重启2到3次，如果没有问题尽快去维修店检查。通常都是使用了劣质燃油导致发动机积碳或是节气门、怠速马达太脏导致的熄火，只要清洗之后都会解决。
文章转载自微信公众号：腾讯汽车
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