纯电动汽车驱动控制系统设计方案

纯电动汽车驱动控制系统设计方案2.1纯电动汽车整车设计方案2.I.1纯电动汽车应造方案1、原车改造方案本廉题的纯电动汽车室物，是在L56600CJ中型客车基础上盘装面成的1L$6600已1中型客车如图N1所示.整车参数期表Z1所示&纯电动汽车的改装采用了传统内燃机汽窜的标港配置」为了简化改装步驿，尽量保留了痣车内带的各种设备和传动机构-t要保留了康军的，变速器、离合器、主减速器和差速器口因为卵动器需要水冷散热功能，故也保留了原车的冰箱及水泵-采用蓄电池蛆.郭:动控制器、驱动电机替代了原有车辆的燃油供给系统及发动机。采用标准大众汽车厂生产的电子油门替代了原有的机械式油门踏板，并根据控制器的控制要求对原有的内需机点火装置进行了改装,使原军仍城开关可以适成纯电动汽车控制的要求⑶金叫图工113•前0型中型客车表2.1LS6600C1整车参数名禄符号瓜位*威值主她速器传动比6.17变速器速比5.568（1档）2.832（2档）1.634（3档）1.000（4档）0.814（5档）轮胎半径rm0.363风用cdam23.48滚动阻力系数f0.013旋转质段换算系数s1.05机械效率%0.90底盘:质量m.kg2580允许殿大质量用一kg4700设计最高车速一仁km/h90改装后抠车质量乜33050底盘型号CA1040PS0D142、纯电动汽车整车结构划分山于纯电动汽车的驱动装置与传统意义上的汽乍是完全不一样的，故其驱动器及控制器都需耍经过重新设计。电动汽乍整车结构图如图2.2所示。驱动控制系统驱动控制系统电动汽车系统主要包含三部分：驱动控制系统、电源系统、辅助系统。驱动控制系统的功能是：通过控制器电路与油门踏板、刹车踏板相连，控制电机凄动电路，完成车辆的前进、后退及制动能量回收功能。电源系统的功能是：蓄电池组对驱动电路及控制电路的供电和对其他辅助电路的供电作用，并且可以完成对蓄电池的充电功能。辅助系统的功能是：完成助力转向及车内空调温度调节等功能。2.1.2纯电动汽车驱动电机选型1、电动汽车驱动电机类型用于电动汽车骆动的电动机一般分为2类，即：有换向器的电动机和无换向器的电动机⑶。如图2.3所示。其中有阴影背景的电动机类型表示已经被近代电动汽车所采用⑴。永磁宜流电机的主要特点是：使用永磁材料代替了励磁绕组。这样做的优点是：电机径向空间的利用率得到了提高，从而使电机定子的设计直径减小。并且由于永磁材料的磁导率较低，使得电枢反应减小，互感增加。但是永磁直流电机也存在着一些缺点如:有换向器和电刷使得其可靠性降低，需要定期维护,但是，由于永磁直流电动机技术成熟且控制简单，永磁宜流电动机一直在电动汽车驱动领域有着突出的地位2段工本课题选用了包头长安永磁电动机研发有限公司生产的ZYCD-45型永磁直流电动机，其主要参数如表2.2所示。表2.2ZYCD-45电机主要参数中文名称符号单位参数值额定电用忆V210额定电流I-A190领定转速r/min3000额定功率匕kW40额定转矩Nm124电枢电阻RaQ0.0265电枢电感LmH0.192.2纯电动汽车驱动器需求2.2J驱动器功能性需求骆动器是纯电动汽车的核心子系统，其成本占据了驱动控制系统的首位。它的主要功能是：在主控制器的控制下，高效地将蓄电池的电能转化为车辆的动能，或将车辆的动能转化为电能，回馈到蓄电池中存储⑶。纯电动汽车永磁直流电动机驱动器的性能主要取决于以下3个方面：驾驶员对纯也动汽车的驾驶性能要求、车辆的性能约束、车载电源的性能网。具体的驱动器功能要求如下1四：1、起动转矩足够大，能够满足纯电动汽车启动、频繁启停、加速、爬坡的要求，一般要求电动机的过载系数可以达到3〜4口叽2、驱动电机应该有较宽的调速范围，在25%〜100%的殿大转速范围内，可以近似有恒格矩、恒功率的输出特性，能够满足纯电动汽车最高车速和行驶工况的要求1到。3、比功率距一般按照最大功率计算，可以达到(1〜1.25)kw/k/叫4、能量转换效率高，要求在典型的驾驶循环区内，可以获得85%~93%的效率。5、能睇完成再生制动功能，并旦要求再生制动时的能量回收率高|期。6、要求有良好的制动、驱动转矩响应特性12叫7、有良好的环境适应性，可以在不同的环境下可用工作1刈。8、设备维护简单，工作噪声低田1。222驱动电路选型永磁直流电动机在电动汽车上的应用，要求那动电动机能够在多段限运行，包括：正转和正转制动、反转和反转制动，如图2.4所示磔|,对具有倒车档的车辆，仅要求两象限运行(正转及正转制动，即第一象限与第四象限叫但是，对没行倒车档的车辆，则需要四象限运行。由于木课题采用了变速器，永磁直流电机的运行只需要两象限。图2.4多象限运行的转速、转矩特性1、直流降压斩波电路如图2,5所示为一个简单.的直流降压斩波电路原理图口咒VD图2.5直流降压斩波电路VT的控制极由脓宽可调的PWM序列Ug驱动。在一个开关周期内，当04t<ton时，Ug为正，VT导通，电源电压通过VT加到电动机电枢两端：ton"tvT时，Ug为负，VT关断，电枢失去电源，经VD续流1动。这样，电动机两端得到的平均电压为：5=察广DU$ (2.1)改变占空比D(0<D<1)即可调节永磁电动机的转速。若令y=UJUs为PWM电压系数,则在降压斩波电路中：Y=D (2.2)图2.6中绘出了稳态时电枢两端的电压波形与=/«)和平均电压见。由于电磁惯性，也枢电流id的变化幅值比电压波形小，但仍旧是脉动的，其平均值等于负载电流I尸TJCq图2.6中还绘出了电动机的反电动势E，由于PWM变换器的开关频率高，电流的脉动幅值不大，再影响到转速和反电动势，其波动就更小，一般可以忽略不计12叫图2.6稳态时电枢两端电压波形2、二独限DC-DC变换电路如图2.7所示的电路。当VT1导通时，流过正向电流+id,VT2导通时，流过-id。应注意该电路只能工作在第一、二象限，因为平均电压Ud并没有改变极性。如图2.8所示的电压和电流波形有三种不同情况，无论何种状态，功率开关器件VT1和VT2的驱动电压都是大小相等、极性相反的。即：%=一% (23)在一般电动状态中，id始终为正值，如图2.7所示id电流正参考方向。设ton为VT1的导通时间，则在OVtVton时，％为正，VT1导通，为负，VT2关断网。此时，电源电压Us加到电枢两端,电流id沿图2.7中的回路1流通网。在tonwtvT时,，乙和亿？同时改变极性,此时VT1关断，但VT2却不能立刻导通，因为id沿网路2通过二极管VD2续流，在VD2两端产生的压降给VT2施加了反压，使VT2失去了导通的可能取，故，实际上是由VT1和VD2交替导通，虽然电路中多了•个功率开关器件VT2,但并没有被用上口。】。般电动状态下的也压和电流波形也就和简单的降压斩波电路波形完仝一样,如图2.8所示:bgl-UxiVT) VD2 VT1UdE图2.8电动状态下的电压电流波形在制动状态中，id为负值，VT2就发挥作用了。这种情况发生在电动过程中需要降速的时候13叫此时，首先减小控制电压，使得Ugl的正脉冲变窄，负脉冲变宽，进而使平均电机电枢电压Ud减小即）。山于电机的惯性，电机转速与反电动势不会突变，因而造成E>Ud,使得电流id反向，VD2截止。在ton«l<T时，Ug2变正，于是VT2导通，反向电流沿回路3流通，产生能耗制动作用网。在TVtvT+ton（即下一周期的OWivton）时，VT2关断，-id沿回路4经VD1续流，向蓄电池回馈制动，同时，VD1两端压降钳住VT1使其截止制动时，VT2和VD1交替导通，而VT1始终是关断的，此时的电压、电流波形图如图2.9所示口曳图2.9制动状态下的电压电流波形

在轻载电动状态下，这时平均电流较小，以致在VT1关断后id经VD2续流时，还没有到达周期T,电流已经衰减到零，如图2.10中ton〜T期间的t=t2时刻，这时VD2两端电压也降为零，VT2便提前导通了，使电流反向，产生局部时间的制动作用网.这样,轻载时，电流在正负方向之间脉动，平均电流等于负载电流，一个周期分成4个阶段，如表2.3所示：表2.3二象限DC-DC变换器在不同工作状态下的导通序件和电流回路与方向0-tonton〜T0~t4t4~tonton-12t2~T一般电动状杰导通器件电流回路电流方向VT11十VD22+制动状态导通器件电流回路电流方向VDI4VT23一%轻载电动状态导通器件电流1可路电流方向VDI4VT11十VD22十VT23092.2.3功率器件选型功率器件作为驱动器的核心元件，占整个驱动器成本的绝大部分，故功率器件的选型对于驱动器的设计而言是十分重要的。在选用电力驱动的半导体功率器件时，一般考虑以下5点要求；U额定值功率器件额定值的选择主要包含电压额定值与电流额定值c功率密件额定电压值的选择应该根据蓄电池铭牌规定的额定电压、充电时的最大电压及再生制动时的最大电压综合确定。功率器件额定电流值的选择及该根据电动机额定功率的峰值及所并联的功率器件个数综合确定，并且当器件并联时各功率器件的导通状态与开关将性必须匹配良好叫2、功率授耗功率损耗决定了功率器件的工作效率，功率器件导通时的压降或损耗应降到展小，同时开关损耗应尽量小⑶。3、基极、门极的可驱动性功率器件不能够直接驱动，应该采用相应的驱动电路来驱动功率器件，应尽量采用简隼、安全的基极、门极骗动。4、坚固车辆在行驶时的环境有时十分恶劣，功率器件必须有足够的抗过载能力，能够承受过电压时的巨大能量，并且能在过流时通过快速熔断器或保险丝加以保护。5、成熟性与成本半导体功率器件的成本占整个纯电动汽车驱动系统的绝大部分，故功率器件的性价比应该高⑶。这里采用了评分的方法对8个主要参数进行了评价，每个参数得分为）到5,如表2.4所示：表2.4各种电动汽车功率器件的比较GTOBJTMOSFETIGBTMCT额定值54253开关频率12444功率损失23444门极可卵动性23555动态特性23555抗过我能力3355.5成熟性55442低廉性44442总和2427333630I』话万I可以看屈7MOSFIST、IGBT后MCT评分较高，这表示这些功率半导体器件尤其适用于纯电动汽车驱动系统网。由于IGBT的性能最优，它在电动汽车领域的应用也最为广范叫本课题采用的是EuropeanPower-SemiconductorandElectronicsCompany公司生产的FF800R12KF4型IGBT。纯电动汽车驱动器主电路如图2.11所示，实物图如图2.12所示。图2.12驱动器实物图纯电动汽车控制器需求控制器功能性需求1、根据驾驶员操作和车辆目前的工况，完成相应的电机转短、转速特性的调节⑶2、根需驾驶员操作和车辆目前的工况，完成再生制动的控制即】。3、能完成相关监测信号的显示。包拈：主电路接通信号、电机转速，电机电枢电流、电机的输入电压、电机温度、动力电池组的输出电压和电流、加速踏板的开度、制动强度和车速卬】.4、当车辆控制系统出现故障或者在非正常工作状态时，能提醒驾驶员（川.5、异常状况的安全保护。控制系统在监测到车辆发生故障或处「非正常工作状态时,能立即采取保护措施，停止工作⑶6、故障显示功能。控制系统在监测到车物发生故障或处于非正常T.作状态时，在来取保护措施停止工作后能保存当前乍辆的相关监测信息，以便于发现故障，及时排除川。7、能和其他模块进行数据通讯网8、能承受振动，零部件无松脱、能在高低温工作条件下正常工作、能抗电磁干扰9、控制电路的设计利布置要方便可靠，在发生交通事故或者其他安全事故时能保护乘员的安全⑶L控制器MCU选型MCU是控制器的核心元件，其选取直接影响电动汽车的控制效果。MCU的选择主要通过以卜三方面原则进行因以）。1、可靠性车辆的控制者是驾驶员，MCU作为整个控制器的核心元件其可养性决定了整个系统的质量，为了保证人员的安全以及系统的稳定性，应该使用可器性较高的MCU芯片来完成主控制器的设计，应注重MCU的温度适应性、抗干扰性、耐电压冲击性、是否具备看门狗电路等。2、扩展性系统的集成度越高，系统的稳定性也就越好，对于电动汽车的控制器而言，所做的处理任务很多，比如电机控制、温度检测、仪表通信等功能。是否具备相应的接口或者功能模块，决定了该款MCU的实用性。所以应该尽量选用接口丰富，具有丰富功能模块的MCU。3、易维护性控制器的各项功能是通过下载到MCU中的程序来实现的，能够方便的时控制器的各项子功能进行调试，是系统易于维护的体现。在控制器调试完毕之前是否支持在线编程，寄存器在线查看等功能也是MCU在选择方面应该注意的曳要因素。综合以上因素，木课题中采用了女eescale公司生产的MC9s12DG128型16位单片机。介ccscalc半导体公司前身为摩托罗拉半导体产业部，2004年从摩托罗拉分拆上市。公司从1953年开始从事半导体业务，是世界半导体产'亚与技术的开拓者，是全球大型的半导体公司之一，在微控制器领域长期居全球市场领先地位，尤其是在汽车微控制器领域。freescale公司的微控制器产品系列齐全、温度范围不同，以可靠性高、性价比高和应用方便引导微控制器的发展L3s训。MC9s12DG128单片机的总线频率为8MHz,具有256KHFlash程序存储需12KB的RAM存储器、4KB的EEPROM,可以完成］6位乘法和32位除1