学习笔记-纯电动汽车电力驱动系统研究

1 纯电动汽车电力拖动系统研究纯电动汽车电力拖动系统研究 江苏微特利电机有限公司 施洪亮 河南海马轿车有限公司 赵长春 1 概述概述 1 1 纯电动汽车电力拖动系统简介纯电动汽车电力拖动系统简介 电动汽车电力拖动系统可以按照驱动电动机的不同进行分类 目前应用在电动汽车驱动系统中的电动机既有传统的直流电动机和交流感应电动机 也有新型的永 磁同步电动机和开关磁阻电动机 不论哪一类电力拖动系统 都必须对电动机进行控制 使其满足电动汽车的特殊运行要求 电动汽 车与其他的电力拖动系统不同 它需要经常变换运行方式 尤其是在城市行驶状态下 要求电力拖动系 统响应迅速 调速范围宽 同时性能稳定 在采用适当的控制策略的条件下 交流感应电动机 永磁同 步电动机都能满足这种要求 1 2 纯电动汽车电力拖动系统开发步骤纯电动汽车电力拖动系统开发步骤 首先根据市场需要确定整车性能指标 然后参照传统车辆牵引力分析的方法 结合电动机的机械特 性 选定电动机和电池的参数 最后依据整车重量的变化核算电动汽车可能达到的动力性能 电动汽车电力拖动系统结构框图如图 1 所示 它以驾驶员的操作 主要是以加速踏板位置的操作 为输入 经过驱动系统控制器的变换后 输出转矩给定值提供给逆变器 逆变器控制电动机的输出转矩 从而使电动汽车以驾驶员的期望状态行驶 2 2 纯电动汽车电力拖动系统的基本布置纯电动汽车电力拖动系统的基本布置 2 1 电力拖动系统布置方式与系统构成电力拖动系统布置方式与系统构成 纯电动汽车的驱动系统基本构成可分为三个子系统 即电动机系统 动力电源系统和辅助控制系统 电动机系统由逆变器 电动机 机械传动系等部件组成 它能够将蓄电池输出的电能转化为车轮上 的机械能 驱动电动汽车行驶 是电动汽车的关键组成部分 动力电源系统由动力蓄电池组和电池管理系统构成 电池管理系统是实现电池能量监控 协调控制 等功能的关键部件 辅助控制系统主要是为电动汽车非驱动附件提供控制功能 例如 实现车载充电器控制 动力转向 控制 制动助力控制 空气调节控制 冷却装置控制等功能 在现今的电动汽车电力拖动系统中 有将上述三个子系统的物理结构统一 功能独立的趋势 2 2 电力拖动系统与机械系统的组合方式电力拖动系统与机械系统的组合方式 电力拖动系统的电动机与机械传动系统有许多种组合方式 以下介绍比较典型并且容易实现的二种 组合方式 2 2 1 机械传动系不变的组合方式机械传动系不变的组合方式 机械传动系不变的组合方式的大体结构如图 2 1 所示 这种组合方式与传统燃油汽车的驱动系统布置方式没有太大的区别 它是用电动机及其控制系统替 代了发动机及其控制系统 而机械传动系则基本不变 电动机输出轴与变速器输入轴相联 动力通过通 过变速器传递到主减速器 然后到差速器 最后通过半轴将动力传送给驱动轮 这种组合方式只需用电动机及其控制系统对燃油汽车的发动机进行置换 就能得到一辆电动汽车 工作相对简单 方便将传统汽车改装成电动汽车 2 2 2 采用固定速比减速器的组合方式采用固定速比减速器的组合方式 由于电动机的调速范围比较宽 而且它的输出特性与车辆要求的驱动系统特性比较接近 因此可以 3 充分利用电动机的这一特性 取消多档齿轮变速器 采用固定传动比的齿轮减速器和差速器来传递动力 图 2 2 是这种组合方式的结构简图 这种组合方式使得传动系统得到进一步简化 缩小了电力拖动系 统占用的空间 但是 整车的加速性和爬坡性会受到影响 2 3 纯电动汽车对电力拖动系统的特殊要求纯电动汽车对电力拖动系统的特殊要求 电动汽车对电力拖动系统的特殊要求 1 能够频繁地起动 停车 加速 减速 对转矩控制的动态性能要求高 2 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 4 由于加速性和爬坡性的要求 电动汽车用电力拖动系统的过载倍数要大 一般在 3 6 倍 正因为电动汽车对其电力拖动系统有这些特殊要求 所以在电动汽车电力拖动系统设计中 必须充 分考虑这些特殊的要求 2 3 1 纯电动汽车电力拖动系统中电动机的选择纯电动汽车电力拖动系统中电动机的选择 在选择电动汽车电动机时 需要考虑的几个关键问题是成本 可靠性 效率 维护 耐用性 重量 尺寸以及噪声等 选择感应电动机作为电动汽车驱动电动机 原因是感应电动机成本低 可靠性好 调速范围宽 控 制器较成熟 制造技术较成熟 转矩波动小 噪声小 不需要转子位置传感器 选择无刷直流电动机作为电动汽车的驱动电动机 是因为无刷直流电动机结构紧凑 重量轻 效率 高 控制性能好 选择开关磁阻电动机作为电动汽车的驱动电动机 原因是开关磁阻电动机可靠性好 成本低 简单 高速潜力大 永磁同步电动机在功率密度和效率上比交流感应电动机有优势 有逐渐取代交流感应电动机而处于 电动汽车驱动电动机的首选位置上的趋势 但是在目前的应用中 必须充分考虑它的 恒磁 特点 在这里 本人推荐选用交流感应电动机 2 3 2 纯电动汽车电力拖动系统中交流感应电动机的控制方法纯电动汽车电力拖动系统中交流感应电动机的控制方法 交流感应电动机的变频调速应用最为广泛 矢量控制技术和直接转矩控制技术是交流感应电动机变 频调速实现转矩控制的研究热点 越来越多的可以实现转矩控制的逆变器在电动汽车的拖动系统中得到 4 应用 矢量控制的基本思路是把交流电动机模拟成与直流电动机相似的情况 从而像控制直流电动机一样 来控制交流电动机 矢量控制技术的基本原理是根据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制 从而达到控制异步电动机转矩的目的 采用矢量控制的交流感应电动机系统动态性能好 调速范围宽 是目前应用最为广泛的高性能交流 调速系统 但是交流感应电动机矢量控制需要通过坐标变换进行解耦 这使得采用矢量控制的交流调速 系统比较复杂 另外 这种调速系统的性能对电动机本身参数的依赖性也很大 3 纯电动汽车电力拖动系统的设计纯电动汽车电力拖动系统的设计 3 1 纯电动汽车性能指标纯电动汽车性能指标 传统燃油汽车的性能指标包括动力性 燃油经济性 制动性 操纵稳定性 平顺性和通过性等 电动汽车因为动力系统不同 因此对它的性能指标的要求与传统燃油汽车有一些差别 纯电动汽车 因为以蓄电池存储的电能为能量来源 所以衡量电动汽车性能的一项重要指标是最大续驶里程 同时 因为电动汽车没有发动机 不燃烧燃料 所以没有燃油经济性的要求 电动汽车采用的是电力拖动系统 它的动力元件是电动机 所以有耗电量的测试要求 这样 纯电动汽车电力拖动系统的设计完全可以沿用传统汽车的动力性设计方法 3 2 重温经典汽车设计理论重温经典汽车设计理论 车辆驱动系统的动力输出特性与车辆的动力性直接相关 驱动系统的动力输出应该满足车辆的动力 性要求 在设计电动汽车驱动系统时 为了使电动汽车达到要求的动力性能指标 首先必须对电动汽车 行驶过程中力与功率的平衡进行分析 以得到电动汽车的需求特性场 这里重温一下众所周知的经典汽车设计理论并据此推导纯电动车辆行驶平衡方程 3 2 1 车辆行驶过程中力的平衡方程车辆行驶过程中力的平衡方程 根据力的平衡关系 车辆在行驶过程中 有如下的受力平衡方程 式中 Ft 驱动力 F 行驶阻力之和 3 2 2 车辆行驶阻力车辆行驶阻力 首先分析车辆的行驶阻力 车辆行驶过程中受到的阻力有滚动阻力 空气阻力 加速阻力和坡度阻力 5 3 2 2 1 滚动阻力滚动阻力 滚动阻力是因车辆在行驶过程中轮胎的变形引起的 它无法在真正的受力图上表示出来 通常将它 等效为一个力 用 Ff 来表示 为了便于进行车辆动力性分析 引进滚动阻力系数 f 滚动阻力 Ff N 可以等效的表示为 式中 G 车辆所受重力 N f 滚动阻力系数 与路面种类 行驶车速以及轮胎的构造 材料 气压等有关 3 2 2 2 空气阻力空气阻力 车辆直线行驶时受到的空气作用在逆行驶方向上的分力称为空气阻力 记作 Fw 在车辆行驶范围内 空气阻力的数值通常都总结成与气流相对速度的动压成正比例的形式 即 式中 CD 空气阻力系数 一般讲应是雷诺数 R0的函数 在车速较高 动压力较高 而相应气体 的粘性摩擦较小时 CD将不随 R0而变化 空气密度 kg m3 A 迎风面积 即车辆行驶方向的投影面积 单位为 m2 ur 相对速度 在无风时即车辆的行驶速度 单位为 m s 3 2 2 3 坡度阻力坡度阻力 将车辆沿坡道行驶时重力沿坡度方向的分力统称为车辆行驶的坡度阻力 记为 Fi 规定上坡时 Fi 取 正值 下坡时 Fi 取负值 式中 G 作用于车辆上的重力 单位为 N G mg m 为车辆质量 g 为重力加速度 坡道与水平线所成的锐角 3 2 2 4 加速阻力加速阻力 车辆在加速行驶时 由质量产生的惯性力为加速阻力 记为 Fj 车辆的质量分为平移质量和旋转质 量两部分 在加速时 平移质量产生惯性力 旋转质量产生惯性力偶矩 为了便于计算 一般把旋转质 量产生的惯性力偶矩转化为平移质量的惯性力 并以系数 作为计入旋转质量惯性力偶矩后的车辆质量 换算系数 则 车辆加速阻力可写作 6 式中 车辆旋转质量换算系数 1 m 车辆质量 单位为 kg du dt 车辆行驶加速度 单位为 m s2 在传统燃油车辆中 主要与飞轮的转动惯量 车轮的转动惯量以及传动系的传动比有关 它可按 如下公式进行估算 式中 ig 变速器传动比 1 2 分别等效于车轮和飞轮引入的换算因子 在传统燃油车辆中 1 2 0 03 3 2 3 车辆的驱动力车辆的驱动力 车辆行驶的驱动力是路面作用在车辆驱动轮上的 它不仅与车辆驱动系统提供的牵引力有关 而且 与路面与轮胎之间的接触状态有关 设车辆传动系传递到驱动轮的驱动力矩为 Tt 它产生一个对地面的圆周力 Fr 在它的作用下 地面 对驱动轮产生一个反作用力 Ft 这个反作用力就是车辆受到的驱动力 在车轮没有产生滑转的情况下有 式中 Tt 半轴作用于驱动轮上的转矩 Nm r 车轮半径 令 变速器传动比为 ig 驱动电动机输出转矩为 Ttq 主减速器传动比为 i0 传动系统的机械效率为 T 则 3 2 4 车辆行驶的车辆行驶的 驱动驱动 附着附着 平衡条件平衡条件 由 4 1 式可知 只有在满足条件 7 时车辆才可能行驶 这个条件称为车辆的驱动条件 它还不是车辆行驶的充分条件 根据经典力学理论 系统的运动状态是由外力决定的 作用在车辆上的驱动力实际是地面对驱动轮 的反作用力 地面对轮胎反作用力的极限值称为附着力 F 在硬路面上 它与驱动轮法向反作用力 FZ 成正比 常写成 式中 附着系数 它由路面和轮胎决定 车辆在行驶过程中 路面所提供的驱动力不可能大于 F 即 当驱动力达到极限值 F 时 如果继续加大车辆动力系统的输出力矩 驱动轮将在路面滑转 地面 反向作用力并不会增加 3 2 5 车辆行驶过程中功率的平衡条件车辆行驶过程中功率的平衡条件 车辆行驶时 不仅驱动力和行驶阻力相互平衡 驱动功率和车辆行驶阻功率也总是平衡的 也就是 说 在车辆行驶的每一瞬间 驱动功率 Pe 总是等于机械传动损失的功率与全部运动阻力所消耗的功率之 和 车辆运动阻力所消耗的功率有滚动阻力功率 空气阻力功率 坡度阻力功率以及加速阻力功率 即 在纯电动汽车中 Pe 为电动机输出功率 w 总结以上推导的公式 可得车辆行驶过程中的两个平衡方程如下 8 对纯电动汽车而言 式中 Pe 电动机输出功率 W n 电动机输出转速 Ttq 电动机扭矩 其中 Ft 要满足 Ft FZ 的条件 3 3 一个设计实例一个设计实例 设计要求 最高车速 Vmax 150km h 最大爬坡度 i 30 40km h 续驶里程 100km 50km h 0 100 Km h 加速时间 18 s 设计输入 整车满载质量 Ga 1472Kg 轮胎半径 r 0 269m 空气阻力系数 CD 0 32 车身迎风面积 A 1 88m2 滚动阻力系数 f 0 018 传动效率 0 92 传动比 参见 5S160 变速器 根据动力性要求确定电机参数 额定 30kw 电动机 电动机转速 60012001800240030003600420048005400 电动机额定转矩 80 80 80 80 80 80 60 54 40 功率 4 9 13 18 22 30 30 30 30 电动机过载转矩 3 倍 240 240 240 240 240 240 180 160 117 根据续驶里程确定电池容量 55Ah 电压 336V 标称能量 18 48kwh 动力性计算结果如下图 9 驱动力与行驶阻力平衡图 0 00 2000 00 4000 00 6000 00 8000 00 10000 00 12000 00 020406080100120140160 车速 km h 力 N 平路行驶阻力 4 坡度行驶阻力 12 坡度行驶阻力 20 坡度行驶阻力 30 坡度行驶阻力 电机1档驱动力 电机2档驱动力 电机3档驱动力 电机4档驱动力 电机5档驱动力 本文研究的纯电动汽车电力拖动系统已经被某汽车厂采用 实物见下图 4 纯电动汽车电力拖动系统控制策略研究纯电动汽车电力拖动系统控制策略研究 在驾驶员的操作与驱动系统动力输出之间建立怎样的控制关系对于驱动系统而言是非常关键的 在 汽车驾驶中 驾驶员获取道路环境和车辆状况信息后 根据自己的驾驶经验 通过踩踏加速踏板来控制 驱动系统的动力输出 使车辆按照驾驶员的意图行驶 如图 4 1 所示 10 为加速踏板位置选择一个合适的对应物理量作为驱动系统控制器的输入是电动汽车设计的首要出发 点 最佳选择是对应电机输出转矩 驾驶员直观的控制对象是车辆行驶速度 如果车速不能达到驾驶员 的预期车速 驾驶员就会改变加速踏板位置 改变电机的输出转矩 也就是改变车辆的加速度 加速度 的变化直接影响到车辆的速度 直至达到控制车速为止 由于主要考虑的是对驱动系统力矩输出的控制 因此规定 当加速踏板输出的 Tq 值为正 驱动系统 进入电动状态 此时 Tq 值为电动系统的电动力矩目标值 当制动踏板输出的 Tq 值为负 驱动系统进入 再生制动状态 此时 Tq 值为制动系统的制动力矩目标值 依照以上的设计理念 确定如下的电动汽车电力拖动控制系统 其中以 DSP2407 为主的双 CPU 主控 制器兼顾了电机逆变控制和汽车行驶的整车控制 进一步的研究开发 锂电池组附带的电源管理器和车 载充电器功能也要交由电力拖动控制系统完成 机械结构方面 还考虑要增加电机的轮系 以便拖动必要的旋转附件 目的是加大电机负荷 提高用电 效率 11 参考文献 1 陈清泉 詹宜巨 21 世纪的绿色交通工具一电动车 北京 清华大学出版社 2000 7 14 2 高宏德 抓住良机抢先发展我国电动汽车工业 中国工业经济 1996 5 37 40 3 孙立志 赵辉 陆永平等 电动汽车中的电机驱动系统 电工电能新技术 1997 4 14 1