前言

隨著能源緊張、環(huán)保壓力加大，節(jié)能、環(huán)保的新能源汽車(chē)無(wú)疑將成為汽車(chē)未來(lái)的發(fā)展方向，美國(guó)、日本和歐洲等國(guó)相繼出臺(tái)鼓勵(lì)政策，支持電動(dòng)汽車(chē)研發(fā)和電動(dòng)汽車(chē)的市場(chǎng)化等。國(guó)內(nèi)外各大汽車(chē)公司均對(duì)此領(lǐng)域表現(xiàn)出極大的熱情，并投入巨大人力物力來(lái)研發(fā)電動(dòng)汽車(chē)。在英國(guó)每天清晨有2萬(wàn)輛電動(dòng)汽車(chē)為各家各戶送鮮奶；法國(guó)電動(dòng)汽車(chē)的保有量己達(dá)1萬(wàn)輛；美國(guó)圣芭芭拉城試驗(yàn)運(yùn)行的電動(dòng)公交小巴，紐約市運(yùn)行的電動(dòng)公交車(chē)深受市民喜愛(ài)；在日本，EV與ITS的組合已成為目前電動(dòng)汽車(chē)技術(shù)水平下實(shí)用化和商業(yè)化的新途徑。

我國(guó)在電動(dòng)汽車(chē)的研發(fā)上與發(fā)達(dá)國(guó)家有一定差距，但是在國(guó)家政策扶持下，我國(guó)的電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)已經(jīng)有了長(zhǎng)足發(fā)展，“十城千輛”節(jié)能與新能源汽車(chē)示范推廣試點(diǎn)城市等政策措施都為電動(dòng)汽車(chē)提供巨大支持。而2010年開(kāi)始，國(guó)家更將新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)列為七個(gè)戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之一，制定了中長(zhǎng)期的發(fā)展目標(biāo)，提出“著力突破動(dòng)力電池、驅(qū)動(dòng)電機(jī)和電子控制領(lǐng)域關(guān)鍵核心技術(shù)，推進(jìn)插電式混合動(dòng)力汽車(chē)、純電動(dòng)汽車(chē)推廣應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化。”

EV550是中冶南方（武漢）自動(dòng)化有限公司為電動(dòng)客車(chē)定制開(kāi)發(fā)的專用驅(qū)動(dòng)控制矢量型變頻器。

電動(dòng)汽車(chē)對(duì)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的要求

電動(dòng)汽車(chē)的最終目標(biāo)，是要用電氣驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)取代機(jī)械推進(jìn)系統(tǒng)，用電池代替汽油作為車(chē)載能源，在實(shí)現(xiàn)零排放或減少排放的前提下，達(dá)到或超過(guò)燃油汽車(chē)各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)。

同普通燃油汽車(chē)一樣，電動(dòng)汽車(chē)運(yùn)行工況復(fù)雜多變，既要能高速飛馳，又要能頻繁啟制動(dòng)、上下坡、快速超車(chē)、緊急剎車(chē)。作為一種在陸地上露天行駛的走行機(jī)械，電動(dòng)汽車(chē)同樣要能適應(yīng)雪天、雨天、盛夏、嚴(yán)冬等惡劣天氣條件，能承受道路的顛簸振動(dòng)，還要保證司乘人員的舒適與安全。因此，電動(dòng)汽車(chē)對(duì)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的要求與一般的工業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)有著很大不同的，可歸納為以下幾點(diǎn)：

1、具有較寬的調(diào)速范圍和轉(zhuǎn)矩輸出能力。在基速(即額定轉(zhuǎn)速)以下區(qū)域，應(yīng)能輸出恒定大轉(zhuǎn)矩以適應(yīng)快速起動(dòng)、加速、負(fù)荷爬坡、頻繁起停等要求。而在基速以上區(qū)域，則運(yùn)行在高速度、小轉(zhuǎn)矩、恒功率狀態(tài)，以滿足公路飛馳、超車(chē)等要求。

2、在整個(gè)轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)的效率最大化，以謀求電池一次充電后的續(xù)馳里程盡可能長(zhǎng)。開(kāi)發(fā)比功率更高的新型電池是解決這個(gè)問(wèn)題最根本的方法，但提高電機(jī)及其電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的效率也是重要的一環(huán)。

3、電機(jī)及其電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、體積小、免維護(hù)或少維護(hù)、抗顛簸振動(dòng)、具有較高的安全性。

4、電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)要求工作可控性高、穩(wěn)態(tài)精度高、動(dòng)態(tài)性能好；

5、先進(jìn)的能量管理系統(tǒng)。

6、操作性能符合司機(jī)習(xí)慣，運(yùn)行平穩(wěn)，乘坐舒適，電動(dòng)系統(tǒng)失效保障措施完善。

7、單位功率的系統(tǒng)設(shè)備性價(jià)比。目前，電動(dòng)汽車(chē)的成本仍大大高于普通汽車(chē)，這也限制了電動(dòng)汽車(chē)的市場(chǎng)化。

電動(dòng)汽車(chē)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

圖一中冶南方自動(dòng)化公司整車(chē)控制系統(tǒng)原理圖

電動(dòng)汽車(chē)是指全部或部分由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的汽車(chē)，目前主要指純電動(dòng)汽車(chē)、混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)和燃料電池電動(dòng)汽車(chē)三種類型，它是集機(jī)械、能源、電子、計(jì)算機(jī)、信息等多種技術(shù)為一體的一種典型的高新技術(shù)產(chǎn)品，其最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)高效率、零污染、數(shù)字化、智能化和輕量化，這也是其優(yōu)于傳統(tǒng)汽車(chē)之所在。

電動(dòng)汽車(chē)研制開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)主要有電池、電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、車(chē)身和底盤(pán)設(shè)計(jì)，以及能量管理技術(shù)等，其中前3項(xiàng)構(gòu)成了電動(dòng)汽車(chē)的電氣驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，也是電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展瓶頸。

電池系統(tǒng)作為整車(chē)的動(dòng)力源，主要功能是為驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)提供能量，并用周期性的充電來(lái)補(bǔ)充電能。動(dòng)力電池組作為電動(dòng)汽車(chē)的關(guān)鍵裝備，它的質(zhì)量和體積以及存儲(chǔ)的能量對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的性能起決定性作用。經(jīng)計(jì)算電池系統(tǒng)選用鋰離子電池。

電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)是電動(dòng)汽車(chē)的心臟，其任務(wù)是在駕駛員控制下，高效的將蓄電池的能量轉(zhuǎn)化為車(chē)輪的動(dòng)能，驅(qū)動(dòng)汽車(chē)前進(jìn)。驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)主要由電機(jī)和電機(jī)控制器組成，電機(jī)與電池之間的能量流動(dòng)通過(guò)控制器調(diào)節(jié)，電機(jī)與車(chē)輪通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)裝置連在一起。驅(qū)動(dòng)電機(jī)可選用交流電機(jī)、永磁同步電機(jī)、直流電機(jī)或開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)。

底盤(pán)包括傳動(dòng)行駛系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、懸架和前橋等，其中行駛系統(tǒng)又主要由變速器、傳動(dòng)軸、后橋和車(chē)輪等組成，系統(tǒng)方案如圖一所示。

EV550矢量變頻器及其在電動(dòng)汽車(chē)上的控制策略

矢量變頻器（電機(jī)控制器）在電動(dòng)汽車(chē)中是將直流動(dòng)力源轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣鬏敵鲵?qū)動(dòng)三相電機(jī)進(jìn)而將電能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能驅(qū)動(dòng)汽車(chē)運(yùn)行。它是整個(gè)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的核心部分，因此它控制性能的好壞直接關(guān)系到驅(qū)動(dòng)電機(jī)能否可靠、高效的運(yùn)行，會(huì)影響到整個(gè)車(chē)輛的動(dòng)力性能和乘客的舒適感。

下圖為矢量變頻器基本框架。

圖二矢量變頻器框架

EV550系列矢量變頻器及控制系統(tǒng)是中冶南方（武漢）自動(dòng)化有限公司專為電動(dòng)汽車(chē)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的，其實(shí)時(shí)控制及安全性能要求較高，既能完成復(fù)雜的矢量控制運(yùn)算和脈寬調(diào)制算法，又能采集處理數(shù)據(jù)，控制外部系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，配合整車(chē)控制器完成行車(chē)邏輯控制策略。

應(yīng)用EV550矢量變頻器構(gòu)建其控制系統(tǒng)的核心需求在于：

1、安全可靠的上電時(shí)序控制。

電機(jī)控制器上動(dòng)力電要按照一定的時(shí)序控制，否則會(huì)造成控制器的損壞。當(dāng)司機(jī)按電機(jī)控制器合閘按鈕，電機(jī)控制器接到整車(chē)控制器合閘命令后閉合預(yù)充電接觸器，使電池組通過(guò)預(yù)充電電阻緩慢的給電機(jī)控制器中電容組充電，當(dāng)電機(jī)控制器檢測(cè)到直流母線電壓達(dá)到額定輸入電壓90％后，閉合電機(jī)控制器接觸器，同時(shí)切斷預(yù)充電接觸器，此時(shí)電機(jī)控制器主電完全接到電池組上，完成主電上電過(guò)程。

2、高性能控制算法。

矢量控制算法（磁場(chǎng)定向控制）是交流調(diào)速技術(shù)的一次飛躍，它通過(guò)對(duì)電機(jī)磁通的定向，實(shí)現(xiàn)了交流電機(jī)中的解耦控制，使電機(jī)磁通矢量的幅值和空間位置在動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)時(shí)皆可控，從而使交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速的穩(wěn)態(tài)、動(dòng)態(tài)性能可與直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)相媲美，甚至在某些情況下還超越后者。以此，此算法應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域，滿足了電動(dòng)汽車(chē)在低速時(shí)具有較大轉(zhuǎn)矩，保證其具有良好的加速性能和爬坡能力；同時(shí)還滿足其較寬的調(diào)速范圍，以使電動(dòng)汽車(chē)具有在平路上高速行駛的性能。

3、最優(yōu)能量利用率。

能量的最優(yōu)利用率是對(duì)電動(dòng)汽車(chē)另一個(gè)基本要求，要求其控制系統(tǒng)能夠盡可能的利用能源，包括利用過(guò)熱及再生制動(dòng)能量，使得有限能源得到充分利用。能力回饋能夠?qū)崿F(xiàn)此功能。它包括車(chē)輛制動(dòng)能力回饋與車(chē)輛滑行能力回饋兩種。在回饋狀態(tài)時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)按發(fā)電機(jī)運(yùn)行，將車(chē)輛行駛動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能，可以起到3個(gè)作用：輔助制動(dòng)；回收能量給動(dòng)力蓄電池充電，從而延長(zhǎng)車(chē)輛續(xù)駛里程；在車(chē)輛有供熱需求時(shí)，可以直接利用這部分電能供熱取暖。

圖三EV550電動(dòng)汽車(chē)專用電機(jī)控制器

而EV550變頻器產(chǎn)品應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)的主要優(yōu)點(diǎn)在于：

1、可靠性：三重過(guò)流保護(hù)、三重過(guò)壓保護(hù)、三重驅(qū)動(dòng)保護(hù)，保證電機(jī)控制器可靠穩(wěn)定運(yùn)行。

2、控制策略優(yōu)越：電機(jī)控制器采用矢量控制技術(shù)，性能優(yōu)越，可靠性高，適用于交流異步或永磁同步電機(jī)；

3、大容量輸出能力：使得電機(jī)輸出端無(wú)需配備變速箱或減速器，大大的降低了故障點(diǎn)及機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的噪聲，節(jié)省成本，控制模式簡(jiǎn)單，可靠性更高，車(chē)輛運(yùn)行平穩(wěn)性好；

4、動(dòng)力性能優(yōu)良：加速性能好(15秒內(nèi)0～50km/h)，更有良好的經(jīng)濟(jì)性能（0.9度/km@40km/h）；

5、故障診斷及處理：為提高整車(chē)的可靠性，電機(jī)控制系統(tǒng)必須有故障診斷功能，并能對(duì)故障進(jìn)行保存，方便日后分析，另外通過(guò)診斷端口可以在線實(shí)施調(diào)試電機(jī)控制器、記錄各種運(yùn)行曲線，方便優(yōu)化整個(gè)控制系統(tǒng)；

6、高效制動(dòng)能量回收：充分發(fā)揮純電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，提高能源的利用率，電機(jī)控制系統(tǒng)須具有制動(dòng)能量回收功能。

7、簡(jiǎn)易性：電機(jī)控制器質(zhì)量可靠，且重量輕、易于布置、接線維護(hù)方便等特點(diǎn)，產(chǎn)業(yè)化前景非常好。

總結(jié)

交流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)，由于大功率半導(dǎo)體器件技術(shù)、微處理器技術(shù)以及控制理論的帶動(dòng)，發(fā)展到今天已經(jīng)有了長(zhǎng)足進(jìn)步，在電氣傳動(dòng)領(lǐng)域它正逐漸替代直流驅(qū)動(dòng)，已經(jīng)成為主流發(fā)展技術(shù)。EV550矢量變頻器的推出，也將以其優(yōu)越的控制性能，在電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域創(chuàng)造更為廣闊的應(yīng)用。