由于可以有效利用的电池能量是有限的，因此高性能电动汽车用电力转换器以及构成它的电力装置等就成为电机驱动用转换器的核心，这也是现在和未来发展的方向。

1.功率器件的发展方向

直流电机在小型车上多采用MOSFET器件，大型车则多使用IGBT器件；交流电机可采用耐压600V的自动开关器件，如IGBT。近来，更进一步的智能模块化电力开关器件的使用也日益增多。

作为电机驱动用电力转换器，对于直流电机使用的是附带回收作用的高频斩波器，对于交流电机则选用的是高频PWM逆变器。2000mL级别的内燃机汽车的最大输出功率为40～60kW，连续输出功率为最大功率的50%左右。在交流电机驱动的情况下，作为转换器的逆变器是必需的，其输出频率最高可达到200Hz左右，这是根据正弦波调制PWM控制得来的。流入电机的电流几乎都是正弦波，并且为了去除转换器的噪声，PWM发生器在可听频率的16kHz以上。在这些情况下，由于电力装置的高频开关动作是必要的，故开关损耗也会相应增加，因此，这类器件的发展方向为

1）效率的提高：电动汽车不会一直处于高速公路上高速行驶的状态，由于在市区行驶时只有40～60km/h的速度，此时所需的电力仅为最高速行驶时的1/5。因此，希望控制器在较大的运行范围内具有较高的效率。实现这个目标不但需要采用轻负荷、高效率的逆变器，还需要恰当的电机控制方法，如在异步电机励磁电流控制中采用高效率控制法，或使用高效率的永磁同步电机，更进一步地多采用高效率的DC-DC转换器。

2）回收效率的提高：制动时汽车电池有效回收的能量可增加续驶里程。在再生制动的时候，逆变器、电机（整流器、发电机动作）的效率明显得到改善，但是要注意影响能量回收模式和电池的充电效率等问题。此外，还要注意电池充电时间的限制，这里必须注意过充电和寿命之间的关系。为了能取得效率较好的能量回收效果，必须采用符合电池充电特性的、效率较高的回收控制法。

3）电力装置：电动汽车中采用的电力装置，特别对低成本、低损耗以及好的环境适应性有较多要求。对于低损耗，关键是降低输出时的损耗。针对电池电压低的情况，考虑采用比IGBT导通电压低的MOSFET。

4）软开关化：采用共振回路会使器件强制工作在零电压或者零电流状态，因此提出了在该点进行开关动作的方法。我们把这种方法称为软开关，这是使开关器件的应力、开关损耗、开关噪声降低的有效方法。

5）电磁噪声规范：电动汽车中，电磁干扰的类别可以分为辐射噪声（从装置辐射电磁波）和传送噪声（电源动力线传播中的高次谐波部分），可以预想到，这些会对人们身心健康造成影响。将来，政府必须制定相关规范，电动汽车的车型和使用条件必须采取相应对策，以尽量降低其电磁辐射对人的影响。

6）电动汽车电力电子设备的一体化：未来要考虑实现电机驱动用逆变器和DC-DC转换器的一体化、低成本化、小型轻量化以及低噪声的特性。

2.驱动电机控制方法的发展方向

随着电力电子技术、微电子技术、数字控制技术以及控制理论的发展，交流驱动系统的动、静态特性完全可以和直流传动系统相媲美，交流驱动系统获得广泛应用，交流驱动取代直流驱动已逐步变为现实。目前在电动汽车的驱动系统中，采用交流驱动的方式已经占大多数，对驱动系统控制方法的研究也多是针对交流驱动展开的。

虽然基于稳态控制的交流驱动控制方法，如常用的稳态模型控制方案有开环恒u/f比控制（即电压/频率=常数）和闭环转差频率控制方法，能够解决驱动电机平滑调速问题，但系统的控制规律是只依据电机的稳态数学模型，没有考虑过渡过程，系统在稳态、起动及低速时的转矩动态响应等动态性能不高；转矩和磁链是电压幅值及频率的函数，当仅控制转矩时，由于I/O间的耦合会导致响应速度变慢，因此即使有很好的控制方案，在这种控制方式下也很难满足电动汽车驱动系统的动力特性要求，因此在目前驱动系统控制中很少采用。

目前在电动汽车驱动系统中应用较为广泛的控制方法是矢量控制和直接转矩控制，两种方法在控制性能上各有特色，但本质是相同的，都采用转矩、磁链分别控制，其中转矩控制环（或电流的转矩分量环）都处于转速环的内环，可抑制磁链变化对转速子系统的影响，使转速和磁链子系统近似解耦。

因为电动汽车行驶工况复杂，对于驱动系统的特性要求较高，同时，驱动系统随着车辆行驶工况的不同，其运行参数等也会发生显著变化，因此，对于电动汽车驱动系统而言，在以上两种常用控制方法的基础上，发展方向如下：(www.daowen.com)

1）随着电力电子、微电子、计算机等技术的发展，高速数字处理器将会得到越来越广泛的应用。例如，目前TI公司的TMS320F28335、英飞凌公司的TC 1797等嵌入式处理器的工作主频已经能够达到120MHz，从而使得一些复杂控制算法逐步得到实际应用，提高了驱动电机的控制性能。

2）为了能够适应驱动系统在电动汽车复杂环境中运行的需要，使驱动电机控制系统具有较高的动、静态性能及鲁棒性，应该寻找新型的控制方法或改进现有的控制方法，如可将两种或多种控制方法互相有机组合，取长补短，优势互补，集成为一体，以克服单控制方法的缺陷，如模糊与PID、自适应与变结构、模糊与神经、无源与自抗扰等控制方法的结合。

3）一般而言，驱动电机控制系统为了能够进行磁场定位等，需要较为准确的速度信号，但安装速度传感器会带来很多问题，因此高性能的无速度传感器控制方法也已成为研究热点。

4）电机的定、转子等参数会随工况和环境变化，除了采用先进的控制策略减小它们的变化对控制性能的影响外，还应对电机参数进行实时精确辨识。目前电机参数的辨识方法有递推最小二乘法、模型参考自适应法、扩展卡尔曼滤波法、神经网络和遗传算法等。

5）随着人们环保意识的增强，尤其是目前车网融合技术车辆到电网（Vehicle to Grid，V2G）技术的发展，驱动电机控制产生的高次谐波对电网会带来污染，降低电机工作噪声以及增强其可靠性、安全性等问题已经越来越受到重视，因此需要选择合适的控制方法来解决这些问题。

3.电机控制系统的发展

高功率密度高可靠性的电动汽车电驱动系统一直是电动汽车发展的目标之一，采用宽禁带半导体材料的电机控制器，例如SiC材料电机控制器则是实现这一目标的选择之一。2008年，日产开发出了采用SiC-SBD（Schottky Barrier Di-ode）的汽车逆变器，并将其配备在该公司的燃料电池电动汽车X-TRAIL上，设备体积与质量降低了15%～20%。同年，罗姆公司为本田汽车研制出全SiC器件（包括SiC MOSFET与SBD）的逆变器设备。该设备采用80kHz开关频率，开关损耗仅为Si IGBT的1/4。在2014年5月举行的日本横滨汽车工程博览会中，日本明电社公司展出全SiC电机控制器与电机一体机，将逆变器等效功率密度提升至60kW/L。丰田与电装联合研发的SiC与Si电机控制器如图6-33所示。

电动汽车电机控制器是电动汽车电驱动系统的核心部件，未来它将朝着耐高温、高可靠性、高集成度、数字化和低成本方向发展。对于新型控制器拓扑结构设计、无支撑电容设计、一体化设计等技术的研究已经日渐深入，未来电力电子集成装备制造技术在电动汽车中的应用体现在以下方面：

1）模块化设计。采用满足汽车安全标准的高功率密度半导体功率模块，并采用新型封装与互连技术，如银烧结、瞬态液相焊接、陶瓷封装、无基板封装等，以实现集成度的提升与散热性能的优化。

2）智能化设计。智能型IGBT芯片及新型器件的设计与应用，如集成温度检测、电流保护、智能驱动等，以及宽禁带半导体器件的应用，如SiC、GaN器件等。

3）集成化设计。多功能电路及系统的集成，如将逆变器前置双向DC-DC升/降压变换器、DC-DC低压充电机、车载电池快速充电器、发电机与电动机逆变单元等功能电路集成，以减少线缆与接插件用量，同时提高整车EMC性能。其他集成装配制造技术，如薄膜电容与叠层母排一体化设计、动力线缆与传感器的集成设计等。

4）轻量化设计。电机控制器与电机、减速器等的机械集成，降低了系统体积与质量，从而实现汽车产品的小型化、轻量化。

图6-33 丰田与电装联合研发的SiC（左）与Si（右）电机控制器