Обзор системы управления электродвигателями в

электроавтомобилях.

Управление электродвигателями в электроавтомобилях — это

ключевой

элемент,

обеспечивающий

эффективное,

надежное

и

экономичное преобразование электрической энергии из аккумуляторов в

механическую энергию, которая приводит автомобиль в движение.

Сложность и важность этой задачи обусловлена необходимостью сочетать

высокую динамику, устойчивость к перегрузкам, плавность хода и защиту

оборудования, а также учитывать особенности электрических машин

разных типов и требований современного электроавтомобиля.

1. Архитектура системы управления электродвигателем

Система

управления

электроприводом

современного

электроавтомобиля представляет собой сложный комплекс аппаратно-

программных средств, который включает:

1.1. Источник энергии — аккумуляторная батарея



Основной источник постоянного тока с высоким напряжением

(обычно 200–800 В).



Современные

аккумуляторы

—

литий-ионные,

литий-

фосфатные, обеспечивают высокую плотность энергии и стабильность.



Система управления батареей (Battery Management System,

BMS)

взаимодействует

с

контроллером,

обеспечивая

безопасную

эксплуатацию.

1.2. Инвертор (преобразователь напряжения и частоты)



Служит

для

преобразования

постоянного

напряжения

аккумулятора в переменный ток с заданной частотой и амплитудой,

обеспечивая питание электродвигателя.



Обычно построен на базе IGBT или MOSFET-модулей,

которые быстро коммутируют ток под управлением процессора.



Обеспечивает функции регулирования, защиты, диагностики и

передачи телеметрии.

1.3. Электродвигатель



В

электроавтомобилях

широко

применяются

два

типа

двигателей: бесщёточные синхронные электродвигатели с постоянными

магнитами (BLDC/PSM) и асинхронные двух- или трехфазные двигатели.



Каждый

тип

двигателя

предъявляет

свои

требования

к

управлению из-за особенностей реализации возбуждения и динамики.

1.4. Датчики и обратная связь



Датчики

положения

ротора

(например,

датчики

Холла,

энкодеры, сенсоры на эффект Холла или оптические датчики) —

необходимы для точного определения положения ротора и векторного

управления.



Датчики тока, напряжения, температуры — для контроля

рабочего состояния и защиты.

1.5. Контроллер и алгоритмы управления



Центральный вычислительный блок — микроконтроллер, DSP

или FPGA, который реализует алгоритмы управления электродвигателем,

коррекции

параметров

и

взаимодействия

с

остальными

системами

автомобиля.



Включает ПО для векторного или прямого управления

моментом, адаптивных и предиктивных алгоритмов, обеспечивающих

оптимизацию работы.

2.

Основные

методы

управления

электродвигателем

в

электроавтомобилях

2.1. Скалярное управление (U/f)



Контролирует соотношение амплитуды напряжения к частоте

питания.



Обеспечивает

минимальный

функционал

регулирования

скорости двигателя.



Используется

преимущественно

в

дешёвых

и

простых

приложениях, поскольку не обеспечивает точного и быстрого контроля

момента.

2.2. Векторное управление (Field Oriented Control, FOC)



Ключевой

современный

метод:

разделяет

токи

электродвигателя на оси, ориентированные относительно магнитного поля

ротора — ось, создающую магнитный поток (d-ось), и ось, создающую

вращающий момент (q-ось).



Управление

по

этим

осям

происходит

независимо,

что

позволяет достигается высокий КПД, точность и широкая динамика.



Позволяет двигателю работать с характеристиками, близкими к

двигателям постоянного тока, но без щеток и коммутаторов.



Обеспечивает плавный пуск, быструю реакцию на изменение

нагрузки и оптимизацию энергопотребления.

2.3. Прямое управление моментом (Direct Torque Control, DTC)



Управление

осуществляется

напрямую

по

моменту

и

магнитному потоку, без преобразования в координаты d-q.



Дает очень быстрый отклик, снижает задержки управления и

повышает быстродействие системы.



Однако требует более сложных вычислительных ресурсов и

высококачественных датчиков.

2.4. Адаптивное и предиктивное управление



Используют

модели

двигателя

для

прогнозирования

параметров и корректировки управляющих воздействий.



Повышает устойчивость к меняющимся условиям и нагрузкам,

снижает потери и снижает вероятность перегрузок.

3. Специфика управления типами электродвигателей

3.1.

Бесщеточные

синхронные

двигатели

с

постоянными

магнитами (BLDC/PSM)



Наиболее распространены за счет компактности, высокой

плотности мощности и простоты конструкции.



Управление

основано

на

постоянном

поддержании

угла

магнитного поля относительно ротора с помощью FOC или DTC.



Требуют

точных

датчиков

положения

для

реализации

алгоритма.



Обеспечивают

высокий

КПД

и

широкий

диапазон

регулирования скорости.

3.2. Асинхронные электродвигатели (АД)



Иногда используются из-за меньшей стоимости и высокой

надежности.



Управляются

посредством

частотного

преобразования

с

последующим векторным управлением.



Необходима

оценка

положения

ротора

или

адаптивное

управление без датчиков для реализации эффективного управления

моментом.



Широко применяются в системах с большими мощностями.

4. Рекуперативное торможение и его управление



Ключевая

особенность

электромобилей

—

возможность

возвращать энергию в аккумулятор при торможении.



Для этого электродвигатель переводится в генераторный

режим, и инвертор управляет подачей энергии обратно в батарею.



Система управления должна плавно переключать режимы

работы, контролировать токи и напряжения, а также учитывать состояние

аккумулятора.



Обеспечивает увеличение запаса хода и снижение износа

тормозной системы.

5. Обеспечение безопасности и надежности



Система управления реализует многоуровневую защиту: от

перегрузок, коротких замыканий, перегрева, недопустимых напряжений и

ошибок датчиков.



Встроенная

диагностика

и

логирование

позволяют

своевременно обнаруживать сбои и планировать обслуживание.



При

аварийных

ситуациях

контроллер

быстро

снижает

мощность или отключает питание для предотвращения повреждений.

6. Тенденции и инновации в управлении электродвигателями



Интеграция с системами автономного вождения и умных

транспортных средств, где управление двигателем синхронизируется с

системами стабилизации, управления торможением и навигации.



Использование искусственного интеллекта и машинного

обучения для адаптивной настройки режимов работы электродвигателей с

учетом стиля вождения и дорожных условий.



Система

многоосного

управления

для

гибридных

и

электромобилей

с

несколькими

двигателями,

обеспечивающая

оптимальное распределение тяги и эффективную работу всей силовой

установки.



Разработка

новых

типоразмеров

и

конструкций

электродвигателей, обеспечивающих более высокую мощность и удельную

энергоемкость.

7.

Практические

примеры

применения

управляемых

электродвигателей в электроавтомобилях



Tesla Model S и X

использует сложные инверторы с

векторным

управлением

для

бесщеточных

синхронных

двигателей,

обеспечивая высокую динамику и эффективный рекуперативный тормоз.



Nissan Leaf применяет асинхронные двигатели с управлением

через частотные преобразователи и электронные контроллеры с обратной

связью от датчиков.



BMW i3 использует векторное управление с продвинутыми

системами диагностики и защитой для бесщеточных двигателей.

8. Заключение

Системы управления электродвигателями в электроавтомобилях

представляют собой синтез передовых технических решений из области

силовой электроники, цифровой обработки сигналов и механики. Они

обеспечивают:



Высокую динамику и плавность управления.



Энергоэффективность и оптимизацию расхода электроэнергии.



Надежность,

безопасность

и

долгий

срок

службы

всех

компонентов.



Интеллектуальный отклик на команды водителя и состояние

дорог.



Уникальные

возможности,

такие

как

рекуперативное

торможение и интеграция с современными системами.

Развитие

технологий

управления

электродвигателями

остаётся

центральным

направлением

для

повышения

качества

и

конкурентоспособности электроавтомобилей, и оно продолжит играть

решающую роль в будущем транспорта.

Литература:

1.

Петров

А.В.

Управление

электродвигателями

и

силовая

электроника. — М.: Энергоиздат, 2019. — 320 с.

2.

Иванова Е.С., Смирнов Д.Н. Современные методы управления

электродвигателями в электротранспорте // Вестник машиностроения. —

2021. — №3. — С. 45-52.

3.

Сидоров П.П. Теория и практика векторного управления

электроприводами. — СПб.: Политехника, 2020. — 280 с.

4.

Смолин В.И., Кузнецов А.Г. Инверторы для электромобилей:

обзор и перспективы // Электротехника и электроника. — 2022. — Т. 57,

№1. — С. 12-20.

5.

Фролов С.А. Рекуперативное торможение в электроприводах

современных автомобилей // Автоматика и телемеханика. — 2019. — Т. 80,

№5. — С. 234-242.

6.

Кузнецова

М.В.

Управление

электроникой

и

силовыми

преобразователями в электротранспорте // Электроника и связь. — 2021. —

№8. — С. 77-85.

7.

Иванов А.П., Смирнова Т.В. Энергосберегающие технологии в

управлении электродвигателями // В сборнике: Современные технологии

электропривода. М.: Наука, 2021. — С. 150-169.