项目一 电动汽车控制与驱动技术

电动汽车的电动机驱动控制系统是车辆行驶中的主要执行机构，其驱动特性也就决定了汽车执行的主要性能指标，因此，它是电动汽车的重要部件，并且电动汽车中的燃料电池汽车FCV、混合动力汽车HEV和纯电动汽车EV三大类都要用电动机来驱动车轮行驶。电动汽车的电机驱动系统主要有电气系统和机械系统组成，其中，电气系统由电机、功率转换器和电子控制器等三个子系统构成，机械系统则由机械传动和车轮等构成。,电动汽车电机控制和驱动技术,第一节电动汽车电机技术趋势与挑战,一、电动汽车电机技术发展趋势1）电机的功率密度不断提高，永磁电机应用范围不断扩大2）电机的工作转速不断提高，回馈制动的高效区域不断拓宽3）电驱动系统的集成化和一体化趋势更加明显4）电驱动系统的混合度与电功率比不断增加5）车用电驱动控制系统的集成化和数字化程度不断加大,二、电动汽车电机控制技术面临的挑战,1）技术方面2)资金和人才3)标准建设和知识产权,第二节电动汽车电机分类、结构与工作原理,1)按工作电源种类划分：可分为直流电机和交流电机(1)直流电机按结构及工作原理可划分：无刷直流电机和有刷直流电机。又可分为永磁直流电机和电磁直流电机。永磁直流电机按材料又分为稀土、铁氧体、铝镍钴永磁直流电机。电磁直流电机按励磁方式又分为串励、并励、他励和复励直流电机。(2)交流电机可分：单相电机和三相电机2)按结构和工作原理划分：可分为直流电机、异步电机、同步电机。异步电动机的转子转速总是略低于旋转磁场的同步转速。同步电动机的转子转速与负载大小无关而始终保持为同步转速。3)按用途分，有驱动电机和控制用电机。4)按运转速度分，有高速电机、低速电机、恒速电机和调速电机。低速电动机又分为齿轮减速电动机、电磁减速电动机、力矩电动机和爪极同步电动机等。,二、电动汽车电机结构,1）永磁式直流电机由定子磁极、转子、电刷、外壳等组成。定子磁极采用永磁体（永久磁钢），有铁氧体、铝镍钴、钕铁硼等材料。按其结构形式可分为圆筒型和瓦块型等几种。转子一般采用硅钢片叠压而成，漆包线绕在转子铁心的两槽之间（三槽即有三个绕组），其各接头分别焊在换向器的金属片上。电刷是连接电源与转子绕组的导电部件，具备导电与耐磨两种性能。永磁电机的电刷使用弹性金属片或金属石墨电刷、电化石墨电刷。2）无刷直流电机由永磁体转子、多极绕组定子、位置传感器等组成。3）交流电机三相异步电动机的结构分定子和转子两部分，定、转子之间有空气隙。4)永磁同步交流电动机永磁同步交流电动机的磁场由永久磁铁产生，转子线圈通过电刷供电，转速与交流电频率为整倍数（分数）关系（视转子线圈绕组数而定），故称同步电机。5）开关磁阻电机开关磁阻电动机(SwitchedReluctanceMotorSRM)是根据磁阻差产生反转磁矩的原理而制成的一种电动机。6）续流增磁电机续流增磁永磁电机是一种复合励磁的特殊直流电机，兼顾了串励直流电机和他励直流电机的优点。,三、电动汽车电机工作原理,1）交流电机将这两相交流电分别送入两组或四组电机线圈绕组，就在电机内形成旋转的磁场，旋转磁场在电机转子内产生感应电流，感应电流产生的磁场与旋转磁场方向相反，被旋转磁场推拉进入旋转状态，由于转子必须切割磁力线才能产生感应电流，因此转子转速必须低于旋转磁转速，故称异步电机。2）直流电机3）永磁同步交流电动机转子线圈通过电刷供电，定子通过线圈绕组产生旋转磁场的电机，按转子线圈与定子线圈的串、并联关系分别称串励磁、并励磁电机。4）开关磁阻电机开关磁阻电动机(SwitchedReluctanceMotorSRM)是根据磁阻差产生反转磁矩的原理而制成的一种电动机。5）续流增磁电机该电动汽车电机采用稀土永磁和增磁绕组复合励磁方式，转子采用无槽结构，把增磁绕组接在电机续流回路中，利用续流回路内的电流进行增磁，从而使永磁直流电机产生复合磁场，产生全新的自动弱磁调速理念。,第三节电动汽车电机特性与要求,一、电动汽车电机特性1)机械特性与负载转矩。机械特性是表示电动机转矩T与其转速n的关系n=f(T)曲线，曲线的斜率即表示机械特性的硬度，斜率大表示机械特性软，反之表示调速特性硬，即转矩随转速的变化小，机械特性是电动机的主要调速性能指标。2)调速范围。调速范围表示机械运行中最大转速nmax与最小转速nnmin之比。3)静差率。也称相对稳定性，其定义为电动机由理想空载（T=0）加到额定负载（T=Te）时，所出现的转速降ne。（对应的理想空载转速nk与额定转速ne之差）与理想空载转速nk之比，4)调速效率。调速效率即为输出轴上的功率P2与输入功率P1之比，它也反映了调速时的损耗功率P。5)平滑性。平滑性反映了调速级数的多少，在一定的调速范围内，调速级数愈多则调速平滑性愈好，这主要针对机械齿轮有级调速。,二、电动汽车电机要求,1)恒功率负载特性。即转速n变化时，负载功率P2基本为一恒定值。2)通风机负载特性。是指水泵、油泵、通风机和螺旋桨等一类机械的负载特性。3)反抗性恒转矩负载特性。此类负载也称为摩擦转矩负载，其特点是负载转矩作用的方向总是与运动方向相反，即总是阻碍运动的制动动性转矩。当转速方向改变时，负载转矩大小不变，但作用方向也随之改变。4）位能性恒转矩负载特性。该类负载的特点是负载转矩TL与转速n的方向无关，并保持大小恒定不变。,二、电动汽车电机要求,电动汽车对其驱动电动机的各项性能要求有：汽车在起步、加速和上坡时，要求有较大的起动转矩和相当的短时过载能力。应限制电动机有过大的峰值电流。由于电动汽车电动机通常由蓄电池供电，而过大的峰值电流极易损坏蓄电池。普通电动机的起动电流往往都较大，需尽可能改善电动机的起动特性。为满足汽车能在各种高、低速工况下运行，要求电动机有较宽的调速范围和理想的调速特性，以尽可能省去或简化机械变速机构与其传动链，从而减少机械摩擦损失和车载重量，还能腾出空间供蓄电池安放和布局，并也可降低成本。要求电动机能正反转运行，以达到汽车倒退时不必通过齿轮切换来实现倒档。要求电动机能有效地实现发电回馈，使得汽车在降速制动和下坡运行时能通过电动机发电回馈，把动能自动回馈给蓄电池，以节能和提高其续驶里程。设法使电动机同时具有电磁制动功能，即利用电磁吸力来使电动机的定、转子相互吸住，以达到一定的制动效果。,三、电动汽车电机命名标准,国标关于电动车电机的命名标准如下：派生代号，用大写汉语拼音字母表示性能参数代号，用二位阿拉伯数字表示。产品名称代号，用大写汉语拼音字母表示机座号，以机壳外径（mm）表示产品名称代号。SYT：铁氧体永磁式直流伺服电动机SYX：稀土永磁式直流伺服电动机SXPT：铁氧体永磁式线绕盘式直流电动机SXPX：稀土永磁式线绕盘式直流电SWT：铁氧体永磁式无刷直流伺服电动机SWX：稀土永磁式无刷直流伺服电动机SN：印制绕组直流伺服电动机SR：开关磁阻电动机YX：三相异步电动机,第四节国内驱动电机技术的发展,一、国内驱动电机技术的研发和产业化现状及进展电动汽车车用驱动电机系统特点。（1）技术层面与国外水平的比较（2）产业化层面与国外水平的差距（3）根据行业需求，重点需要加强的方面共性模块化关键技术攻关，降低行业的研发成本；加强机电耦合设计和一体化集成，提高整车适应性；加强关键共性技术研究，建立有效的技术指标和评价体系；加强可靠性、耐久性和环境适应性技术研究及应用；结合国家重大专项，开发关键装备。2）电动汽车电机驱动技术要求（1）电机永磁化电机永磁化符合电机驱动系统高效率的需要。（2）逆变器数字化在电动汽车中，由燃料电池或蓄电池提供的直流电能，通过一个或多个逆变器将其转换成交流电能驱动永磁电机运动，其中车用电机驱动控制器由逆变器和电机的控制电路构成。（3）系统集成化,二、电动汽车驱动系统的分类,1）传统的驱动模式.该驱动系统仍然采用内燃机汽车的驱动系统布置方式，包括离合器、变速器、传动轴和驱动桥等总成，只是将内燃机换成电动机，属于改造型电动汽车。2)电动机一驱动桥组合式驱动系统这种驱动系统布置形式即在驱动电动机端盖的输出轴处加装减速齿轮和差速器等，电动机、固定速比减速器、差速器的轴互相平行，一起组合成一个驱动整体。3)电动机一驱动桥整体式驱动系统这种驱动系统布置形式与发动机横向前置一前轮驱动的内燃机汽车的布置方式类似，把电动机、固定速比减速器和差速器集成为一个整体，两根半轴连接驱动车轮。4）轮毂电动机分散驱动系统轮毂电机技术又称车轮内装电机技术，它的最大特点就是将动力、传动和制动装置都整合到轮毂内，因此将电动车辆的机械部分大大简化。,第五节电动机驱动系统的组成、控制技术与方法,一、电动机驱动系统的基本组成电动汽车的整个驱动系统包括电动机驱动系统与其机械传动机构两大部分。电动汽车电机驱动系统的组成与类型。电机驱动系统是电动汽车的心脏，它由电机、功率转换器、控制器、各种检测传感器和电源（蓄电池）组成，其任务是在驾驶员的控制下，高效率地将蓄电池的电量转化为车轮的动能，或者将车轮的动能反馈到蓄电池中。二、车用电驱动系统的控制技术电机控制技术是电动汽车的关键技术之一，它对电动车的性能将产生巨大的影响。由于驱动电机的原理、种类差别很大。三、电动机驱动系统控制方式电机驱动控制系统的好坏关系着电动汽车能否安全可靠地运行。电机驱动系统主要由电机、电力电子变流器、数字控制器和传感器等几个核心部分组成。,三、电动机驱动系统控制方式,1）感应电机V/f控制感应电机V/f开环控制系统中存在固有的不稳定性，在某些运行频段易出现电流的持续振荡，严重时甚至会引起变频器过流保护或烧毁功率模块。2）转差率控制基于转差率控制的矢量控制方式是在进行V/f为恒定控制的基础上，通过检测异步电机的实际速度n，并得到对应的控制频率f，然后根据希望得到的转矩，分别控制定子电流矢量及两个分量间的相位，对输出频率f进行控制的。3）矢量控制矢量控制是一种电机的磁场定向控制方法，以异步电动机的矢量控制为例。它首先通过电机的等效电路来得出一些磁链方程，包括定子磁链，气隙磁链，转子磁链，其中气隙磁链是连接定子和转子的。,三、电动机驱动系统控制方式,4）直接转矩控制直接转矩控制以转矩为中心来进行磁链、转矩的综合控制5）自适应控制自适应控制的研究对象是具有一定程度不确定性的系统，这里所谓的“不确定性”是指描述被控对象及其环境的数学模型不