汽車行業(yè)中，發(fā)展迅猛的電動汽車與混合動力汽車正在經(jīng)歷很大的變化。盡管從銷售量來看，它們還遠遠落后于采用燃油的車型，但汽車生產(chǎn)商已經(jīng)從中學到了不少。其中的一點就是，汽車設(shè)計師已經(jīng)無法滿足于當前為工業(yè)應(yīng)用而開發(fā)的的運動控制元件了。

　　汽車生產(chǎn)商也在運用聯(lián)合購買力，使得新產(chǎn)品更貼合自己的需求。與此同時，電力電子器件、微控制器、系統(tǒng)設(shè)計和開發(fā)工具等方面對電力的使用也在發(fā)生變化。

馬達的發(fā)展

　　電動馬達提供動力，那些雙重功能的馬達（電動機-發(fā)電機）能夠從多種不同類別的新車型上收集能量。除了知名的本田普銳斯混合動力車以外，其它數(shù)家汽車生產(chǎn)商也已提供或正在開發(fā)插電式混合動力（plug-in hybrid）、輕度混合動力（mild hybrid）甚至微混合動力（micro hybrid，無動力）車型（見表1）。盡管每家廠商所用的術(shù)語略有不同，但永磁同步電機（PMSM）是絕大多數(shù)廠家的選擇。

　　汽車推進方面，馬達是運動控制系統(tǒng)的核心。汽車廠商和供應(yīng)商正在持續(xù)改進現(xiàn)有的設(shè)計，同時開發(fā)新的技術(shù)?，F(xiàn)在有至少兩種不同的趨勢。其中一個和新型馬達設(shè)計有關(guān)，另一個使用了我們更加熟悉的方法。

　　更熟悉的方法是，高性能永磁電機必須使用的永磁材料成本不斷增加，正在迫使汽車廠商及其一級供應(yīng)商重新評估其他的馬達替代設(shè)計，特別是感應(yīng)馬達。

　　2011年，底特律舉行的SAE大會上，UQM Technologies公司工程副總裁Jon Lutz探討了永磁電機的替代品。UQM Technologies開發(fā)、生產(chǎn)高能效比的電動馬達、發(fā)電機以及電力電子控制器。

　　Lutz說，用于永磁電機的永磁材料主要來自中國。由于成本增加四倍，而且經(jīng)常缺貨，之前不太被看好的的感應(yīng)電機和繞線磁極式電機現(xiàn)在吸引了更多的關(guān)注。Lutz還指出，目前的材料研究可以將特定級別的電機中使用的永磁材料降低至最少，還可以用其他磁體代替。功率半導(dǎo)體的技術(shù)的進步，包括碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）器件就是眾多替代電機技術(shù)中，能夠提升性能的技術(shù)。

　　更激進的一種方式是，輪轂電機將顯著提升電力和混合動力汽車的表現(xiàn)。Protean Electric的首席技術(shù)官Andy Watts表示。Protean Electric的Protean Drive是整合了三相、永磁直驅(qū)的汽車推進解決方案。每個點擊都有內(nèi)置的逆變器、控制電子和軟件（圖1）。

　　Protean 在一部福特F150電動車里安裝了四個輪內(nèi)馬達，以400V直流驅(qū)動運行， Protean Drive PD18內(nèi)置了逆變器技術(shù)，扭矩為300Nm/rpm，峰值功率為84kW，額定功率為54kW。

模擬馬達控制

　　模擬工具是每個汽車廠商和許多零部件供應(yīng)商工具箱的一部分，能夠幫助汽車更快上市，同時避免開發(fā)錯誤對生產(chǎn)造成影響以及帶來質(zhì)量和可靠性的問題，從而導(dǎo)致?lián)p失。由于電動車和混合動力車的復(fù)雜度不斷攀升，無論是新馬達、新部件還是系統(tǒng)級的改進，這些新一代的設(shè)計都需要模擬工具。

　　Ansys公司在2008年收購了Ansoft，所以可以提供新的模擬工具。Ansys的先進技術(shù)開發(fā)總裁Scott Stanton指出，永磁電機的關(guān)注度仍在上升。

　　Stanton說，“我們有客戶正在研究電動機如何采用更細致的建模方式，為系統(tǒng)工程師提供更詳盡的模型?！焙突隈R達參數(shù)的建模技術(shù)相比更重要的是，其電感和電容對先進的建模有很大影響。現(xiàn)在，Ansys的工程師正和客戶緊密合作，希望能通過解法器得到馬達性能的表現(xiàn)。Stanton 說，“他們會用電磁解法器分析問題，將電機的表現(xiàn)特性化，然后創(chuàng)建模型?！毙履Ｐ偷氖褂脤︸R達特性有主要影響（圖2）。

　　改進的系統(tǒng)分析能力是重新評估新馬達技術(shù)的一部分。Stanton表示，他有很多客戶都在研究永磁馬達的替代品。

　　他說“六七年前，當我們開始和客戶談的時候，他們在使用永磁馬達設(shè)計，現(xiàn)在突然都找上門說，我們正在解決感應(yīng)馬達的問題和磁阻馬達的問題”。除了對比馬達的性能之外，客戶還通過模擬工具建立了針對感應(yīng)馬達的新的控制策略，這比控制永磁馬達更難。

　　然而，采用Ansys的方法的同時，系統(tǒng)廠商也在評估SiC 和GaN器件，確定這些新技術(shù)能夠為混合動力汽車帶來其優(yōu)勢和問題。

　　Synopsys Saber提供一套物理建模和模擬工具，汽車廠商和一級供應(yīng)商可以用這一工具來設(shè)計、驗證和優(yōu)化牽引馬達控制中的電力電子器件。Synopsis Saber 產(chǎn)品線的業(yè)務(wù)開發(fā)高級經(jīng)理Lee Johnson說，“Saber的工具能夠讓用戶分析和優(yōu)化在單獨運作或整合進完整系統(tǒng)的獨立子系統(tǒng)。

　　Synopsys工程師也參與了SiC和GaN新材料在電動車和混合動力車設(shè)計中的重要部分。Johnson說，“我們推出了第一款SiC器件模型，讓用戶開始了解這些新技術(shù)對他們馬達控制設(shè)計的影響和沖擊?！?/P>

　　稀土磁體材料的成本不斷上升，間接推動了對于其他馬達技術(shù)的研究。Johnson 表示其他的成本如用于控制電子的復(fù)雜度、熱度和電磁兼容性表現(xiàn)、電機的可靠性的成本都必須納入考慮?！癝aber的模擬工具為客戶提供了評估新型馬達和控制策略的平臺，而硬件原型和物理測試設(shè)備的開銷并沒有上升，”他說。

　　基于模型的設(shè)計（Model-based deisign）和MathWorks的工具已經(jīng)大量應(yīng)用于電動車和混合動力車的牽引馬達中，用途包括生產(chǎn)項目和快速建模。這些復(fù)雜度的不斷提升是使用基于模型設(shè)計的有力因素。

　　MathWorks的汽車行業(yè)經(jīng)理Wensi Jin 表示，“我們發(fā)現(xiàn)能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計的可操作的模型應(yīng)用廣泛，使用模擬工具實現(xiàn)設(shè)計折衷，使用自動代碼生成工具用以具體的實現(xiàn)。”

　　MathWorks的應(yīng)用工程經(jīng)理Chris Fillyaw把寶押在不斷發(fā)展的SimPowerSystem上，利用他的電力驅(qū)動庫和電力電子元件模型簡化電動或混合動力系統(tǒng)開發(fā)?！癋illyaw說，利用庫里的構(gòu)件實現(xiàn)設(shè)計折衷和控制器驗證，從而快速構(gòu)建馬達驅(qū)動的系統(tǒng)級模型的能力，對于馬達控制開發(fā)者來說非常重要?！保▓D3）

　　不斷增加的系統(tǒng)復(fù)雜性需要更強大的處理能力，以實現(xiàn)嵌入式控制器的模擬和執(zhí)行。結(jié)果是，F(xiàn)illyaw發(fā)現(xiàn)馬達控制的開發(fā)人員對ASIC和FPGA的興趣更大了。這些器件能提供足夠的處理帶寬，為處于硬件在環(huán)仿真（HIL）的控制器提供電機實時測試模型的執(zhí)行。

　　Fillyaw說，“Simulink HDL Coder 可用于從模型中生成HDL（硬件描述語言）代碼，可以用行業(yè)標準的工具模擬和同步，然后在FPGA和ASIC平臺上實現(xiàn)?！?/P>

電動汽車馬達的計算能力

　　最早的電動車和混合動力車的馬達控制依賴于專長，很多時候這些專長來自傳統(tǒng)汽車MCU廠商。例如，作為領(lǐng)先的汽車電子MCU廠商，瑞薩在電動車和混合動力車領(lǐng)域投入多年，現(xiàn)在正在開發(fā)下一代系統(tǒng)和設(shè)計導(dǎo)入。