电动汽车的驱动系统控制.ppt

电动汽车的驱动系统控制,扬州大学机械学院,制作人：蒋铮校对人：郝飞演讲人：耿龙伟导师：秦永法副教授,内容摘要,一、电动汽车概述二、电动汽车结构布置及驱动形式三、电动汽车驱动系统控制技术,电动汽车概述,一、电动汽车概述1、燃油汽车面临的问题2、电动汽车国内外发展概况,燃油汽车面临的问题,城市大气污染日趋严重据估计，美国大气污染物中42来自汽车排放，造成损失每年达2290亿美元。在中国华东、华北的大城市大气中,70%的污染物来自汽车排放;CO88%,NOx80%,HC90%来自汽车排放，大气污染造成的损失每年达500亿美元，全球污染最严重的20个城市中，10个在中国。,石油资源面临枯竭威胁石油资源有限,不可再生,按目前探明的储量和开采的速度还能用4050年。,电动汽车国内外发展概况,美、德、日、法这几个全球汽车工业发达的国家，到目前为止都已分别研制出各类的电动汽车，其中包括大客车、轻型客车、轿车和电动摩托车。美国是世界上对污染限制最严格的国家，目前在电动汽车研制方面，美国处于领先地位。美国采取政府干预，以能源部为中心在19891992年投入1亿多美元，对电动汽车进行了大量的研究和开发，1995年有1万辆电动汽车投入使用；德国早在1972年就以“电动道路交通协会”为中心，在联邦政府的支持下开展电动汽车的开发试验工作，目前已制造出几百辆电动汽车投入使用；日本于1972年成立“日本电动汽车协会”，日本政府制定了鼓励电动汽车开发与应用的政策，1978年，为了促进电动汽车的推广应用，日本电动汽车协会制订了“电动汽车试用制度“，每年向使用者提供使用费。试用的电动汽车主要用于公司、政府下属机构、公园的事物联络车、服务车等，试用地区遍布日本各地；法国很早就在城市环卫部门试用电动汽车，目前巴黎已有数百辆电动汽车在运行，全法国则有上千辆电动汽车在试运行，法国环境能源厅对电池的研究开发及电动汽车的试验给予了资助，地方政府对购买电动汽车的用户提供一定数量的保证金，以鼓励电动汽车的推广。除汽车工业发达国家外，其他国家也非常重视电动汽车的开发，并取得了相应成效，加拿大、奥地利、瑞典、韩国等国都投入巨资研制新一代电动汽车，以期解决能源和城市环境状况。上世纪80年代初，我国就开展了电动汽车研究，曾被列入国家八五规划。目前，我国政府也极为关注开发电动汽车的各项关键技术，并以产业化为最终目标，先后将电动汽车列入“九五”攻关重大项目以及“863”重大专项。值得指出的是，我国的电动汽车技术与其他国家相比较，差距不甚明显，有些技术还有优势，如在应用于电动汽车的多种类型的驱动电机及其控制技术方面即有某些特定优势。,电动汽车结构布置及驱动形式,二、电动汽车结构布置及驱动形式1、电动汽车基本结构2、电驱动的结构形式3、单电动机和多电动机驱动形式4、轮毂电动机驱动形式,电动汽车基本结构,1.电动汽车基本结构电动汽车系统三大子系统：电力驱动子系统、主能源子系统和辅助控制子系统,典型电动车的基本结构,双线表示机械连接，粗实线表示电气连接，细实线表示控制信号连接，箭头表示电功率和控制信号流动的方向,电动汽车基本结构,电力驱动子系统：由电控单元、功率转换器、电动机、机械传动装置和驱动车轮组成主能源子系统：由主电源、能量管理系统和充电系统构成辅助控制子系统：具有动力转向、温度控制和辅助动力供给等功能根据从制动踏板和加速踏板输入的信号，电子控制器发出相应的控制指令来控制功率转换器的功率装置的通断，功率转换器的功能是调节电动机和电源之间的功率流。当电动汽车制动时，再生制动的动能被电源吸收i，此时功率流的方向要反向。能量管理系统和电控系统一起控制再生制动及其能量的回收，能量管理系统和充电器一同控制充电并监测电源的使用情况。辅助动力供给系统供给电动汽车辅助系统不同等级电压并提供必要的动力，它主要给动力转向、空调、制动及其它辅助装置提供动力。除了从制动踏板和加速踏板给电动汽车输入信号外，转向盘输入也是一个很重要的输入信号，动力转向系统根据转向盘的角位置来决定汽车灵活地转向。,电驱动的结构形式,2.电驱动的结构形式采用不同的电力驱动系统可构成不同结构形式的电动汽车。根据电力驱动系统的不同，电动汽车分为以下六种情况,C-离合器；D-差速器；FC-固定器；CB-变速器；M-电动机,电驱动的结构形式,电驱动的结构形式,（a)由发动机前置前轮驱动的燃油车发展而来，他由电动机、离合器、齿轮箱和差速器组成，离合器用来切断或接通电动机到车轮之间传递动力的机械装置，变速器是一套具有不同速比的齿轮机构，驾驶员可选择不同的变速比，把力矩传给车轮。在低速挡时，车轮获得大力矩低转速；在高速挡时，车轮获得小力矩高转速。汽车在转弯时，内侧车轮的转弯半径小，外侧车轮的转弯半径大，差速器使内外车轮以不同转速行驶。,电驱动的结构形式,（b)由电动机、固定速比的减速器和差速器组成电力驱动系统。这种结构的电动汽车由于没有离合器和可选的变速挡位，不能提供理想的转矩/转速特性，因而不合适于使用发动机的燃油汽车。,电驱动的结构形式,(c)这种结构与发动机横向前置、前轮驱动的燃油汽车的布置方式类似，它把电动机、固定速比减速器和差速器集成为一个集体，两根半轴连接驱动车轮，这种结构在小型电动汽车上应用最普遍。,电驱动的结构形式,（d）图示的电动机结构就是采用两个电动机通过固定速比的减速器分别驱动两个车轮，每个电动机的转速可以独立地调节控制，便于实现电子差速，因此，电动汽车不必选用机械差速器。,电驱动的结构形式,（e）电动机也可以装在车轮里面，称为轮毂电动机，可进一步缩短从电动机到驱动轮的传递路径，为了将电动机转速降低到理想的车轮转速，可采用固定减速比的行星齿轮变速器，它能提供大的减速比，而且输入和输出轴可布置在同一条轴线上。,电驱动的结构形式,（f）与超大容量电容器类似，飞轮是另外一种新兴的具有高比功率和高效制动能量回收能力的储能器。用于电动汽车的飞轮与传统低速笨重的飞轮是不同的，这种飞轮质量轻，且在真空下高速动转，超高速飞轮与具有两种工作模式（电动机和发电机）的电动机转子相结合，能够将电能和机械能进行双向转换。下图显示了这种飞轮和蓄电池作混合动力的结构，所选用的蓄电池应能提供高比能量。飞轮最好与无刷交流电动机结合使用，因为这种电动机的效率比直流电动机高，因而在蓄电池和飞轮之间加一个AC-DC转换器。,单电动机和多电动机驱动形式,3.单电动机和多电动机驱动形式差速器是传统车辆的标准组件，电动汽车也采用这项技术。汽车转弯时，外侧车轮的转弯半径比内侧车轮大，必须利用差速器来调整两侧车轮的转速，否则，车轮会产生滑移从而引起轮胎磨损加剧、转向困难、道路附着性能变差等。对于传统的燃油汽车，无论是前轮驱动还是后轮驱动，机械式差速器都是必备的。下图所示为典型的机械差速器的结构，差速器的行星齿轮绕各自的轴旋转，从而使两个半轴齿轮能以不同的转速旋转。,单电动机和多电动机驱动形式,对于电动汽车，如果采用双电动机或者四个电动机驱动，由于每个电动机的转速可以有效地独立调节控制，实现电子差速，在这种情况下，电动汽车可以不用机械差速器。下图所示的是带电子差速器的双电动驱动的结构。电子差速器比接卸差速器体积小、质量轻。,单电动机和多电动机驱动形式,人们对是否选用机械差速器不像是对是否选择可变速比或固定变速比变速器的意见一致，如果电动汽车采用单电动机驱动就必须装机械差速器，而多电动机系统就采用电子差速。电子差速器的优点是体积小、质量轻，在汽车转弯时可以实现精确的电子控制，提高电动汽车的性能；其缺点是由于增加了电动机和功率转换器，增加了初始成本，而且在不同条件下对两个电动机进行精确控制的可靠性需要进一步的发展。,轮毂电动机驱动形式,4.轮毂电动机驱动形式如果将驱动电动机直接安装在车轮上，可以缩短甚至可以去掉电动机与车轮之间的机械传递装置，这取决于是采用高速内转子还是低速外转子电动机。若采用高速内转子电动机，则必须装固定速比的减速器来降低车速。一般采用高减速比的行星车轮减速装置，安装在电动机输出轴和车轮轮缘之间，这种电动机设计的工作转速约为1000r/min,目的是为了获得更高的功率密度。电动机的最高转速主要受线圈损失、摩擦损失以及变速机构的承受能力等因素的限制，所选用的行星齿轮变速机构的速比为10:1，而车轮的转速范围则降为01000r/min。若采用低速外转子电动机，则可以完全去掉变速装置，外转子就安装在车轮轮缘上，而且电动机转速和车轮转速相等，因而就不需要减速装置。,轮毂电动机驱动形式,下图所示这两种内置轮式电动机的结构，采用的都是永磁无刷电动机，由于其具有显著的高功率密度的特点，因而比其它电动机性能更高些。,内转子电动机,外转子电动机,电动汽车驱动系统的构成电动汽车驱动系统包括机械传动系统和电气系统两部分。其中，机械传动部分因电动汽车驱动系统布置方式不同而不同。各种布置凡是之间最大的区别就在于对传统的机械传动部件保留的多少。越高级的布置方式，对传统燃油汽车的机械传动部件保留得就越少，而且更能发挥电动汽车的优势。不论电动汽车的驱动系统采用哪种布置方式，其电气系统的结构基本上都相同，主要由三个部分组成，如下图所示,电动汽车驱动系统控制技术,电动汽车驱动系统控制技术,电动器车与其它的电力驱动系统相比较，有其自身的特点。它对驱动系统相应有其特殊的要求：（1）能够频繁地起动、停车，加、减速，对转矩控制的动态性能要求高；（2）电动汽车驱动的速度、转矩变化范围大，既要工作在恒转矩区，又要运行在恒功率区，同时还要求保持较高的运行效率;（3）能在恶劣工作环境下可靠地工作。正因为电动汽车对其电机驱动系统有这些特殊要求，所以在电动汽车电机驱动系统设计中，驱动电机的选择及其变流器、控制器的设计，都必须考虑到这些特殊的要求。,电动汽车驱动系统控制技术,电动汽车电机驱动系统分类直流电机控制系统；无刷直流电机控制系统；异步电机控制系统；开关磁阻电机控制系统,表1各种电机的特性比较（摘自日本电气学会技术报告）,电动汽车驱动系统控制技术,表2永磁同步电机与异步电机的特性比较,电动汽车驱动系统控制技术,表3永磁同步电机与异步电机的特性比较,电动汽车驱动系统控制技术,电动汽车驱动系统控制技术,直流电机及其控制系统直流电机的结构和原理（并联）特点：1、励磁电流和电枢电流可分别控制，转矩控制性能好。2、控制简单。,电动汽车驱动系统控制技术,直流电机及其控制系统的优缺点,优点：1.直流电机转矩控制性能优良。2.控制简单，回馈控制容易。3.功率变换器结构简单，使用功率器件少。4.控制器效率高；功率密度高。5.控制器体积小，重量轻。6.控制器价格便宜。,缺点：1.由于机械换向器和电刷的存在导致的缺点：电机转速低、体积大；需要维护；成本高。,电动汽车驱动系统控制技术,1.交流电机的主要类型,交流电机及其控制系统,电动汽车驱动系统控制技术,电动汽车驱动系统控制技术,电动汽车驱动系统控制技术,控制器中的CPU主控制板,电动汽车驱动系统控制技术,交流电机的定子结构,三相电枢绕组,电动汽车驱动系统控制技术,电动汽车驱动系统控制技术,2.无刷直流电机与永磁同步电机差别,电动汽车驱动系统控制技术,3.无刷直流电机工作原理,有6个定子空间磁势。根据转子位置传感器检测到的转子位置和要求转向来决定产生哪一个磁势。产生的平均转矩最大。,电动汽车驱动系统控制技术,定子磁势拉转子磁势旋转，为了使平均转矩最大。两者的平均空间电角度为900。,电动汽车驱动系统控制技术,4.无刷直流电机控制框图,电动汽车驱动系统控制技术,电动汽车驱动系统控制技术,5.无刷直流电机的电动、回馈制动控制逻辑控制,电动汽车驱动系统控制技术,6.无刷直流电机及其控制系统的优缺点,优点：1.具有直流电机的控制特性。2.控制相对简单。3.电机效率高，体积小。,缺点：1.由于永磁材料贵，电机价格较贵。2.过热容易导致永久性失磁。3.弱磁运行较困难。4.需要转子位置传感器。,电动汽车驱动系统控制技术,异步电机及其控制系统,1.异步电机变频调速原理,转子绕组中的电压、电流靠感应产生。正常运行时，电机转速接近旋转磁场转速。,电动汽车驱动系统控制技术,2.变频调速的主要控制方法,基于稳态的控制变压变频控制（VariableVoltageVariableFrequency)简称VVVF控制；脉宽调节控制（PulseWidthModulation)简称PWM控制。1.SPWM;2.电压空间矢量PWM；3.优化PWM;4.随机PWM;,电动汽车驱动系统控制技术,基于动态的控制：高性能的控制方法,转子磁场定向矢量控制（等效直流电机控制）（20世纪70年代，由德国西门子公司的F.Blaschke提出。）1.直接矢量控制；2.间接矢量控制。,直接转矩控制直接对转矩和磁链闭环控制。（1985年德国学者M.Depenbrock首次提出。）,电动汽车驱动系统控制技术,3.异步电机滑差频率控制框图,电动汽车驱动系统控制技术,4.异步电机矢量控制,电动汽车驱动系统控制技术,等效直流机模型的方程,电动汽车驱动系统控制技术,矢量控制思路,转矩,控制如何实现？,和,和,和,其中,最终控制定子磁场的幅值与空间位置来实现。,电动汽车驱动系统控制技术,电动汽车驱动系统控制技术,转子磁链准确定向方法,控制框图,电动汽车驱动系统控制技术,转子磁链准确定向方法,观测磁链领先实际磁链时,实际励磁分量id要比观测值id小。实际电压小于观测电压。,观测磁链落后实际磁链时,id大于id实际电压大于观测电压。,电动汽车驱动系统控制技术,5.异步电机直接转矩控制,控制原理：通过检测电机定子电压、电流，借助瞬时空间矢量理论来计算电机的磁链和转矩。给定的磁链和转矩分别与计算值比较，对差值进行滞环调节（也称砰砰控制）。再根据定子磁链的空间位置、磁链与转矩的调节结果，来确定逆变器的开关信号。,电动汽车驱动系统控制技术,直接转矩控制框图,电动汽车驱动系统控制技术,由上图可知，直接转矩控制系统的基本组成主要有以下几个部分:(l)磁链自控制:它的任务是选择正确的区段，以形成六边形磁链。(2)转矩调节:转矩调节环节实现转矩直接自控制。(3)磁链调节:磁链调节环节实现对磁链幅值的直接自控制。由于定子电阻压降增大时会引起磁幅值减少。引入该环节，是为了实现对磁链幅值的闭环控制，维持外在允许的范围内波动。(4)开关信号选择:开关信号选择单元综合来自磁链自控制环节、转矩调节环节和磁链调节环节的三个开关控制信号，形成正确的电压开关信号，以实现对电压空间矢量的正确选择。(5)开关频率调节:该环节控制逆变器的开关频率及转矩容差的大小。(6)异步电动机数学模型:异步电动机的数学模型包括磁链模型和转矩模型。其中磁链模型可以选用低速时i一n模型和高速时u一i模型相结合的方案，也可以选用在全速度范围内采用u一n模型的方案。直接转矩控制通过转矩两点式调节器直接调节转矩。转矩两点式调节器将转矩检测值和转矩设定值进行比较，将转矩波动控制在一定容差范围内，即在直接转矩控制下，电动机的输出转矩总是围绕转矩设定值在一定容差范围内波动。,电动汽车驱动系统控制技术,直接转矩控制的优缺点,优点：电机模型在定子坐标系下，只需3/2变换。观测的是定子磁链，受电机参数影响小。强调对转矩的直接控制，所以转矩响应迅