韩剑华
深圳市机场空港设备维修有限公司
摘要：随着能源紧缺问题、环境污染问题的不断加重，研发和推广新能源汽车成为国内外汽车领域的主要发展方向。新能源汽车的研发和推广离不开电机技术、控制系统和电池，三者相辅相成缺一不可，共同组成了新能源汽车的未来。我国在新能源汽车的研究上已经有了长足的进步，这得益于永磁同步电机、电池、控制系统的研发设计和应用，本文主要围绕新能源汽车的研发设计进行分析，探讨电机、控制系统的设计和应用，希望可以为新能源汽车领域的发展提供一些助力。
关键词：新能源汽车；永磁同步电机；控制系统设计；应用
引言：自2017年至今，我国的新能源汽车生产能力不断扩大，在汽车市场中占有的规模也在不断扩大，正在逐步对我国的汽车市场进行结构调整和转型推动。新能源汽车对永磁同步电机存在较高的依赖性，这种电机具备低能耗、强动力、适用范围广等优势，是新能源汽车稳定运行的基础。随着新能源汽车的不断研究和发展，汽车本身运行对电机的精度、稳定性要求不断提高，永磁同步电机及整车控制系统被迫进行设计和应用上的调整、升级。
1 新能源电气自动汽车驱动电机概述
1.1 新能源汽车对驱动电机的要求
驱动电机是新能源汽车内部重要的核心装置，是汽车应用电能进行驱动、转换的“心脏”，是汽车稳定运行、安全行驶的基础，也是驾驶员合理控制汽车的前提。最先开始研究新能源汽车的是日本，后来世界各国研究电动汽车时也纷纷将重点放在驱动电机的研发上。虽然各国研发生产的驱动电机各有特色，但总体的发展方向是一致的，那就是永磁同步电机。新能源汽车的内置驱动电机拥有包括永磁体、定子、转子、风罩、机座、端盖等部分，应用状态反馈线性化结构的原理来进行电力调节和控制，辅助新能源汽车完成电能驱动和转化，完成整车控制[1]。
1.2 驱动电机分类
驱动电机可以按照电源种类划分为直流电机和交流电机，然后对这两种电机进行进一步的划分。直流电机根据结构可以进一步划分为有刷、无刷直流电机，有刷直流电机继续划分可分出电磁直流电机和永磁直流电机，每一种又可以继续划分为串励、并励、他励、复励和稀土、铁氧体、铝镍钴等不同类型的电机。交流电机根据结构可进一步划分为单相、三相交流电机。
驱动电机可以按照结构和工作原理划分为同步、异步电机，然后对这两种电机进行进一步的划分。同步电机可划分为永磁、磁阻、磁滞同步电机，异步电机可划分为感应、交流换向异步电机。而感应异步电机可继续划分为单相、三相、罩极三类，交流换向异步电机可继续划分为单相串励、交直流两用、推斥电机三类。
1.3 直流电机
直流电机是新能源汽车研发领域中比较早期的驱动电机研究方向，优点突出，短板也非常突出。直流电机具备技术成熟、调速方面效果优越、控制性强等优势，但同样具有机械结构复杂、瞬时过载能力弱、转速较低、能耗高、运维成本高、存在高频电磁干扰等短板。目前，新能源汽车研究领域已经实现了对直流电机的淘汰，进入新的研究领域。
1.4 交流电机
交流电机或者说交流异步电机是新能源汽车研发领域淘汰掉直流电机后的首选，一度在新能源汽车领域中占有非常大的使用比例，直至目前也有很多大功率的电动汽车上使用的是交流异步电机。交流异步电机的优势明显，它的定、转子之间不接触无磨损，结构简单维修方便，而且整体重量比直流电机小很多。交流异步电机在控制性、调速等方面与直流电机相媲美，且具有更优秀的瞬时过载能力和转速，能够为新能源汽车提供运转所需的强动力。但同样，交流异步电机存在自己的短板和弱势，那就是能耗高、控制复杂、运维成本高、有效功率低。目前，国内外大多数企业的新能源汽车驱动电机已经将目标瞄准永磁电机，交流异步电机正在退出未来的新能源汽车市场。
1.5 永磁同步电机
永磁同步电机的优势更加明显，定转子之间不接触无磨损，不需要电刷和转向结构，能耗低、运维成本低、有效功率高。但永磁同步电机中永磁体的成本是制约这种电机生产和应用的主要因素，稀土是制作永磁体的重要材料，这种资源价格昂贵导致很多国家和企业对永磁同步电机望而却步。我国是一个稀土资源丰富的国家，用稀土制作永磁同步电机的意向明显，其他国家则更倾向于少用或不用稀土制作永磁体，转而开发开关磁阻电机和相匹配的控制系统[2]。
2 新能源汽车驱动电机控制系统设计
2.1 充电系统设计
新能源汽车的充电系统主要包括硬件和软件两个部分，硬件主要是信号采集电路，软件主要是蓄电池充电的控制策略。硬件电路设计包括蓄电池电压信号采集电路、充电电流信号采集电路、环境温度采集电路三个部分。蓄电池充电控制策略设计包括检测车辆状态、检测蓄电池状态、激活BMS、动力电池SOC提高、蓄电池充电一系列过程。
2.2 动力电池控制系统设计
动力电池控制系统设计包括主控、电池组管理、电量检测等几个部分。首先是主控设计，主控ECU单元需要根据单体电池温度、电压等基础参数与估算SOC电流、总电压等参数结合起来进行分析计算，判断出电池组的状态，记录电池组在整个运行工作当中的状态数据。其次是电池组管理，这一部分的关键在于对电池SOC值的估算，判断是否需要启动保护功能来阻止过充、过放问题，并将电池组与整车控制系统相连接，将电池状态实时传递给汽车主屏幕，满足人机交互需求。然后是电池的电量检测环节，汽车运行过程中的震荡可能影响电池电量的获取和显示，系统中设计加入滤波算法能够有效进行干扰滤除，保证电池电量的准确。
2.3 驱动电机控制系统设计
驱动电机控制系统是保证驾驶员指令能够得到电机实时相应的系统，也是实时监测车辆、电机状态和故障情况的系统。控制系统由驱动电机和控制器组成，控制器负责根据驾驶员指令控制电机的电能输出，使新能源汽车实现对前进、停车、加减速、倒车、驻车等指令的反馈，并使驾驶员能够实时了解汽车、电机的状态，及时对电机过热、过压、过流等情况进行反馈，对刹车制动操作进行能量回馈，保证整车行驶的安全可靠[3]。
结束语：新能源汽车中的永磁同步电机和控制系统都是影响车辆使用和安全的关键，了解其优劣和设计应用出发点是推动新能源汽车研发继续走下去的动力之一。提高整车控制安全性、可靠程度，提高驾驶员的舒适程度，是新能源汽车发展的必然方向。
参考文献：
[1]吴昊，苏锦智. 探讨车用内置式永磁电机损耗最小简易控制[J]. 通信电源技术，2021,38(02):212-213+216.
[2]韩新江. 新能源汽车永磁同步电机及控制系统的设计应用研究[J]. 时代汽车，2017(14):121-122.
[3]邱美涵，王晓琳，卞皓. 基于AUTOSAR的电动汽车驱动电机控制系统设计与实现[J]. 汽车工程，2018,40(06):659-665.