新能源汽车电机设计及控制_新能源汽车电机设计及控制实验报告

1.新能源汽车电驱系统标准解读与拓展：转速控制

2.新能源汽车永磁同步电机的发展史，究竟是怎样的？

要求具有电动、发电两项功能，按类型可选用直流、交流、永磁无刷或开关磁阻等几种电动机。功率转换器按所选电机类型，有DC/DC功率变换器、DC/AC功率变换器等形式，其作用是按所选电动机驱动电流要求，将蓄电池的直流电转换为相应电压等级的直流、交流或脉冲电源。

新能源汽车特点

1、发动机工作状态不受汽车行驶工况的影响，始终在其最佳的工作区域内稳定运行，因此，发动机具有良好的经济性和低的排放指标。

2、由于有电池进行驱动功率“调峰”，发动机的功率只需满足汽车在某一速度下稳定运行工况所需的功率，因此可选择功率较小的发动机。

新能源汽车电驱系统标准解读与拓展：转速控制

在驾驶新能源汽车的时候，我们所使用的动力并不是来自汽油燃烧产生的动力，而是由燃料电池与蓄电池混合动力一起驱动汽车行驶的。这也是新能源汽车比传统的燃油汽车节能环保的地方。

既然是汽车，我们就少不了要跟汽车的动力系统打交道，也只有了解了能源汽车的动力系统，我们才能更好的驾驶汽车，不损害我们的汽车。

新能源汽车的燃料电池电动汽车能量是有控制策略的，会随着动力系统的结构形式不同而有所不同，但新能源的能量控制策略有三大基本控制目标，这就是汽车动力性、汽车经济性和汽车续驶里程三种。

在新能源汽车的行驶过程中，燃料电池与蓄电池一起提供混合动力一起行驶，动力系统控制器需要时刻的根据汽车的功率需求及电池管理系统所提供的动力电池SOC，来决定能量在燃料电池系统和动力电池系统之间的分配。也就是需要根据油门踏板、制动踏板、以及档位等相关的信息计算出新能源汽车在此时所需要的转矩以及需求功率，然后在根据相关的需求提供最优化的能量分配。

经过这样的程序，将燃料电池与动力电池的输出经过电机控制器控制，转化为驱动电机的功率输出，从而能够驱动车辆行驶。

看起来新能源汽车的动力并不是像燃油汽车那样只依靠单一的动力去驱动的，但是，无论是燃料电池还是蓄电池，在冬天的时候还是不如燃油汽车有强劲的输出动力，而且，到了一定的年限，新能源汽车所需更换的电池的费用，也能让人抓狂到想买一辆新的能源汽车。嗯，称呼新能源汽车为一次性汽车，感觉还是有点小形象的。

既然新能源汽车的动力系统是被控制的，那么必然的会存在相应的控制策略。只有这样我们的新能源汽车才能正常的行驶并且发挥出其最优秀的性能，那么，新能源汽车的控制策略又有哪些呢？

最常用的控制策略有三个，分别是On/Off控制策略、功率跟随控制策略、顺势优化最佳能耗控制策略等，这都是最常见的是那样控制策略，

新能源汽车永磁同步电机的发展史，究竟是怎样的？

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导语：我们已经讨论过电动汽车动力总成中的转矩控制，根据静态特性与动态特性，分别对转矩控制精度和转矩响应时间进行分析，在GB/T18488中有一标准定义与之很像，就是转速控制。转速控制影响了电动车的驾驶性与舒适性，它与转矩控制是怎么联系的呢？究竟怎么评估转速控制？如何测试？为什么要用转速控制呢？

带着这些问题，我们会结合相关标准从以下进行解读：

1.?转速控制相关指标

2.?转速控制相关测试

3.?转速控制方式与应用

1.?转速控制相关指标

在《GB/T?18488.1-2015-电动汽车用电机及其控制器第1部分-技术条件》3.10和3.12中分别给出了转速控制的相关指标：

解读：以一个典型响应为例，看一下转速控制的响应历程，找到响应的标准定义：

其中，Spd_Req为需求转速，Spd_Real为实际转速，T0时刻系统接收到请求转速的指令信息，经过一段延迟时间T_Delay，实际转速达到需求转速的10%，再经过一定的上升时间T_Rise，实际转速达到需求转速的90%，转速再上升到最大值随后减小（其中，最大值与最小值之间是转速动态偏差Spd_Dynamic_Dev)，就这样实际转速沿着需求转速上下波动，经过T_Dyn，到达T1时刻，实际转速的波动范围到达容差范围内，这个容差范围也就是转速静态误差Trq_Steady_Dev，根据静态误差，可以算出偏差的百分比，这个过程中转速响应时间为T_Delay+T_Rise+T_Dyn。

通常，对具有转速控制功能的驱动电机系统，转速控制精度应按转速范围分段定义，如<±20rpm@<2000rpm，<±1%@≥2000rpm。但是，对于转速响应时间，按照测试标准，通常在无负载的情况下定义（下一节会说明），驱动电机从静止上升至额定转速的响应时间不高于100ms，但应根据实际整车功能设计，提出更好的带负载测试的标准要求。

2.?转速控制相关测试

《GB/T?18488.2-2015-电动汽车用电机及其控制器第2部分-实验方法》7.3.1和7.4.1?中分别具体地写明了转速控制精度与转速响应时间测试的方法：

解读：重点已经标出，测试标准中设定的条件都是在空载的情况下，如果转速控制器只在这种情况下进行参数校正，不考虑带负载的情况，显然是不充分的。转速控制是电机控制必有的功能，不过现阶段极少使用，还有待开发利用，整车应根据转速控制功能开启的不同场景，进行严格定义，考虑不同电压、电流、转速、温度下更完善的测试。

3.?转速控制方式与应用

在之前的"转矩控制"文章中，已经对基于矢量控制的转矩控制框图进行过介绍，在这个框图的基础上，我们再加上转速控制环：

可以看出，转矩控制其实是转速控制的内环，需求转速与实际电机转速做比较，转速差给转速控制器，得到需求扭矩，进入扭矩控制环，对电机进行控制，实际转速通过旋变得到，形成转速控制闭环。显而易见，由于转速环相对于扭矩环更大一些，速度环同样是通过扭矩控制来实现，因此响应时间也会较长一些。

通常转速控制器为PI控制器，控制器参数需要根据转速的控制精度与响应时间进行校正，不考虑内环的影响，这个转速控制器的设计决定了转速控制的性能。

在纯电动车上，考虑到电机特性和单挡减速器的应用，较扭矩控制而言，转速控制应用较少；但对于多档位的混动车，控制目标不仅仅是要实现多大的扭矩，而且要实现某特定的同步转速，此时就要进入速度环，根据换挡策略实现换挡。

同时，在某些特定情形下，这个功能的可玩性还是有的，如定速巡航，在高速运行区间计算整车所需的扭矩范围，针对这个负扭矩，对转速控制器进行调教；如打滑控制，在冰面或者雨后路面，MCU结合ESP相关信号，做出最优的转速控制策略，防止失速；如上下坡，通过转速控制限速等，可以集成很多整车控制器的功能。

4.?结束语

转矩控制是转速控制的一环，影响转矩控制的因素同样也影响着转速控制。目前大部分纯电动车对转速控制功能很少使用，也没有严格要求，但是笔者认为这个功能需求在电动车不断发展的时代会不断强化，在扭矩控制参数设定好的基础上，针对不用的应用场景对转速控制器进行参数调校，提高驾驶的舒适性与操控性。

本文来源于汽车之家车家号作者，不代表汽车之家的观点立场。

电动汽车具有低噪声、零排放、高效率、节能、能源多样化和综合利用等明显优势，成为各国发展的主流。随着永磁材料性能的提高和成本的降低，永磁同步电机(PMSM)以其高效率、高功率因数和高功率密度的优势成为电动汽车驱动系统中的主流电机之一。

永磁电机驱动系统

永磁电机不仅具有无刷结构和交流电机运行可靠的优点，还具有DC电机调速性能好的优点。它不需要励磁绕组，可以实现小尺寸和高控制效率。它是电动汽车电机研发和应用的热点。永磁电机驱动系统可分为无刷直流电机系统和PMSM系统。无刷DC电机(BLDCM)系统具有转矩大、功率密度高、位置检测和控制方法简单等优点，但换向电流难以达到理想状态，会引起转矩脉动、振动和噪声等问题。无刷直流电机系统在速度要求不高的电动汽车驱动领域具有一定的优势，得到了广泛的重视和应用。永磁同步电机(PMSM)系统具有控制精度高、转矩密度高、转矩稳定性好、噪声低等特点。通过合理设计永磁磁路结构，可以获得较高的弱磁性能，提高电机调速范围。因此，它在电动汽车驾驶中具有很高的应用价值，受到国内外电动汽车行业的高度重视，在日本得到了广泛应用。是一种理想的电动汽车驱动系统。

1.日本电动汽车用永磁同步电机的现状

日本从1965年开始发展电动汽车，1967年成立日本电动汽车协会。由于永磁同步电机的优异性能，自问世以来一直受到日本汽车公司的青睐。1996年，丰田汽车公司的电动汽车RAV4用东京电机公司的插入式永磁同步电机作为驱动电机，其下的日本富士电子研究所研制的永磁同步电机可达到最大功率50kW，最大转速1300r/min。1998年1月，日产公司开发的新一代电动乘用车在美国加州投入使用。驱动电机用钕铁硼材料，电机体积小。电动汽车驱动电机的技术指标见表2。

近年来，日本电气工程研究实验室与其他公司合作推出了一款内置双层永磁体的永磁同步电机(如图1所示)，提高了电机的横轴电导，增加了电机10%的转矩，增加了10%的最大效率区，电机最大峰值效率可达%以上，主工作区效率可达93%以上。

2.欧洲电动汽车用永磁同步电机的现状

在法国的VEDELIC电动汽车项目中，PSA电动汽车动力总成制造商Moteurleroy-Somer在19年改进了驱动电机。选用的新型驱动电机是三相永磁同步电机。

与传统的DC驱动系统相比，法国用的三相永磁同步电机在以下三个方面进行了改进：①功率密度比和转矩密度比更高；②效率更高；③可靠性提高，维护方便。德国第三代奥迪混合动力汽车的驱动电机用永磁同步电机(PMSM)。最大速度为12500转/分钟，最大输出功率为32kW。

3.美国电动汽车用永磁同步电机的现状

电动汽车在美国的发展比日本晚。在美国，感应电机的设计和控制策略已经成熟，因此感应电机是电动汽车的主要驱动电机。而美国也对永磁同步电机进行了研究，成果突出。詹姆士开发的永磁同步电机。歌迪和凯文。SatCon公司的LeRowR.E用定子双绕组技术，不仅扩大了电机的转速范围，而且有效利用了逆变器的电压，绕组电流小，电机效率高。表4显示了美国SatCon公司开发的电机在不同速度和功率下的效率特性。