【《电动汽车驱动系统电路设计、控制方法及参数设计案例》6200字】

电动汽车驱动系统电路设计、控制方法及参数设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u1024电动汽车驱动系统电路设计、控制方法及参数设计案例 1158291.1电源模型与参数设计 123941.1.1超级电容器组模型 1247491.1.2电源控制方法 2323161.1.3电源参数设计 418951.2DC/DC变换器模型及控制方法 584661.2.1DC/DC功率变换器工作电路 5257251.2.2控制方法 764341.3H桥型逆变器模型及控制方法 8117651.3.1H桥型电压逆变器电路 822811.3.2控制方法 9221941.4控制器模型 942461.4.1基本PID控制器 9316481.4.2增量式PID控制器 10105101.4.3微分先行PID控制器 11274071.4.4PID参数选取 12175021.5驱动电机模型和参数设计 1281691.5.1驱动电机模型 12180651.5.2驱动电机参数设计 14系统电路设计要求功率开关速度较快，综合分析IGBT功率开关管，并配合220μH/15A的电感L和4700μH/50V的电容C构成2MBI100VA-060-50IGBT模块，只需要较低的驱动低压节能实现电源驱动，在工业机械、逆变器电机驱动以及不间断电源任务中凭借其较优越的性能得到广泛应用。电源模型与参数设计超级电容器组模型超级稳压电容器使用电容C、电阻R以及串联电路组成的电阻RC等组成的等效电路并没有考虑电容器容量和内部稳压电阻等参数，所以构建的等效隔阻电路结构模型难以描述实际工况下的工作特性,图3-1展示了串联等效隔阻电路结构模型及其结构原理。需要满足下面公式实现对超级电容实际工作时的额定值、电压值进行控制。 ∆U=IC充放电过程中，上式能够根据输入的电流大小IC、持续时间∆图STYLEREF1\s3.SEQ图\*ARABIC\s11超级电容器RC等效模型Figure3.1SupercapacitorRCequivalentmodel电源控制方法超级电容控制方法为了实现爬坡、启动、加速等工况下电机需要较大电流，该驱动系统中方的辅助存储元件使用了两组超级电容，利用超级电容的工作特性，在需要较大输出功率时，能在较短时间内产生较大的电流，同时在制动系统工作时能对产生的短暂大功率能量进行回收。该系统中的超级电容组中的两个超级电容支持串联连接和并联连接两种工作模式，且能够根据电动汽车的形式情况进行模式切换，始终保持较高效率的能源利用，模式切换只需要通过改变功率开关S1、S2、S3的逻辑状态即可实现，所体现出的能量利用、回收方式的灵活性是单储能单元所不能达到的。图3.2为超级电容组在驱动系统向外输出能量时的等效电路，对应的数学模型表达式为： UC0(a)并联连接电容组(b)串联连接电容组图STYLEREF1\s3.SEQ图\*ARABIC\s12提供能量时等效电路Figure3.2Equivalentcircuitforenergysupply串联连接时电路中的放电电压为单组超级电容的电压，而并联连接时，单组超级电容的电压变为一半。功率开关S1、S2、S3的逻辑状态有0和1两种，分别表示断开和导通，其中等效负载为R。图3-3表示的是超级电容组回收能量时的等效电路，对应的数学模型表达方式为： Uci=等效电路的充放电电压为Uci，电流为IC(a)并联连接电容组能量回收等效电路(b)串联连接电容组能量回收等效电路图STYLEREF1\s3.SEQ图\*ARABIC\s13回馈能量时等效电路Figure3.3Equivalentcircuitwithenergyfeedback蓄电池控制方法通过控制功率控制开关V1、V2、V3的通断情况控制驱动系统工作模式；同时断开V1、V2，导通V3时控制电路停止工作，此时驱动系统为供给能量模式，电机所需的能量由蓄电池供给，且不需要进行升压；断开V1、导通V3并通过PWM信号控制V2，此时的驱动系统的工作模式为供给能量模式，但是蓄电池B需要升压后再向电机提供电能；导通V1、导断V2、V3，此时控制电路停止工作，驱动系统进入能量回收模式，回收的能量存储在蓄电池B中；导断V2、V3，由PWM信号控制V1，驱动系统同样进行能量回收模式，但是需要控制电路对回馈电压进行降压后才能回收；关断三个功率开关，驱动系统不进行能量回收。图3-4为蓄电池B的控制电路。图STYLEREF1\s3.SEQ图\*ARABIC\s14蓄电池控制电路Figure3.4Batterycontrolcircuitspecialty电源参数设计驱动系统在升降压过程中，双向DC/DC功率变换器能实现储能装置的充放电，且变换器原边和副边电压比为2：1，超级电容的电压可以比驱动电机电压低。该设计中蓄电池为24V的锂电池组，其容量规格为180A•h，超级电容电压同样选择为24V。超级电容在电机需要较大电流的特殊工况下进行辅助功能，该电动汽车爬坡t1 WC1爬坡工况的速度VP=30km/h，取电机传动效率η=0.9，计算出所需爬坡能量W加速爬坡t2 WC2加速爬坡时的加速度为3m/s2、δ=1.05，计算出克服阻力所需能量：WC下式表达的是超级电容处于能量输出状态下，释放能量WC WC=超级电容的输入输出能力分别为CU、UC。得出CU≥5F表STYLEREF1\s3.SEQ表\*ARABIC\s11电源参数Table3.1powerparametersDC/DC变换器模型及控制方法DC/DC功率变换器工作电路辅助储能元件充放电过程中的能量经过变换器处理后传递给驱动电机，因此能够在升降压状态过程中对储能元件进行能量供给和回收。图3-5、3-6为中升压等效电路中功率开关V3处于导通和关断下的等效电路，驱动系统中的能量传递方向从左至右，输入、输出电压关系如下： U1=U1、U2是一个DC/DC系列功率电压转换器的一个内部输入输出电压,是一个DC/DC系列功率电压转换器的一个内部输出输入电压,D图STYLEREF1\s3.SEQ图\*ARABIC\s15V2导通升压等效电路Figure3.5V2onboostequivalentcircuit图STYLEREF1\s3.SEQ图\*ARABIC\s16V2断开升压等效电路Figure3.6V2disconnectionofboostequivalentcircuit输入、输出电流间的关系如下： I1=变换器输入输出电流分别为I1、I图3-7、3-8为中将压等效电路中功率开关V1处于导通和关断下的等效电路，驱动系统中的能量传递方向从右至左，输入、输出电压关系如下： U2=变换器的输出输入电压为U1，输入输出电压为U2，图STYLEREF1\s3.SEQ图\*ARABIC\s17V1导通降压等效电路Figure3.7V1guideequivalentcircuit图STYLEREF1\s3.SEQ图\*ARABIC\s18V1断开降压等效电路Figure3.8V1disconnectedbuckequivalentcircuit降压过程中双向功率变换器电流的输入、输出存在以下关系： I2=双向功率变换器的电流输入值和输出值分别为I2、I控制方法储能装置能够在驱动系统需要产生较大电流时开始供给能量，通过控制V4、V5、V6、SW四个功率开关的通断情况实现不同功能模式的切换，当所有功率开关断开时，BDPC不进行工作；当使用PWM信号对V4功率开关进行控制而其余三个功率开关断开时，此时进入到升压状态，两端的电压不断上升。当车辆进行制动时产生的能量会受到超级电容中时，存在以下几种能量回收模式，只导通V5和V6两个功率开关，而断开另外两个功率开关时，BDPC不进行工作；当导通V5功率开关，使用PWM信号对V6功率开关进行控制而关断另外两个功率开关时，开始进入到降压状态，BDPC两端的电压开始降低；只断开SW功率开关，使用PWM信号对V4功率开关进行控制且导通V5和V6两个功率开关时，开始进入到升压状态，BDPC两端的电压开始升高；在大电流回馈状态下BDPC工作对应的SW功率开关导通，而断开V5功率开关。图3-9展示的是驱动系统的BDPC控制电路：图STYLEREF1\s3.SEQ图\*ARABIC\s19BDPC控制电路Figure3.9BDPCcontrolcircuitH桥型逆变器模型及控制方法H桥型电压逆变器电路驱动电机具有多种工作方式，比如直流斩波方式、逆变方式，当逆变器采用H桥型电路结构时，能够在四个象限内进行工作。H桥型电压逆变器电路中使用了V7、V8、V9、V10四个功率开关，驱动电机可以采用双极性PWM信号控制实现V7、V10和V8、V9互补导通。永磁无刷直流直流电机两端的工作电压决定了电机的转速，可以通过调节导通占空比的方式进行电压调节，图3-10为H桥型电压逆变器电路图。图STYLEREF1\s3.SEQ图\*ARABIC\s110H桥型电压逆变器Figure3.10Hbridge-typevoltageinverter当V7、V10和V8、V9两组功率开关互补导通时，电动状态的永磁无刷直流驱动电机，两组功率开关的导通占空比之和为1，其中V7、V10功率开关的导通占空比为D，此时电机两端的电压为： Um=电机两端的工作电压Um根据电感能量守恒定律可以得到电机处于发电状态下逆变器输出电压的计算公式，如下： U2=逆变器的输入电压U2与电机的占空比D和感应电动势e的大小有关。控制方法H桥型电压逆变器具有两种工作模式，分为单极性模式和双极性模式，而驱动系统存在提供能量模式和回收能量模式两种，可以通过控制H桥型电压逆变器中V7、V8、V9、V10四个功率开关的通断状态进行切换，在逆变器处于双极性模式、驱动系统处于提供能量模式时，使用PWM信号控制所有的功率开关，且V7和V10为一组，V8和V9为一组，两组功率开关为互补导通状态；使用PWM信号控制V7和V9功率开关进行互补导通时，可以通过控制V8和V9功率开关的导通状态控制电机的正反转，正转时V8关断、V10导通，反转时V8导通、V10关断，两者只有一个功率开关保持导通，所以此事为单极性模式。处于能量回收模式的驱动系统，断开所有功率开关，导通VD8和VD9两个整流器，此时为续流模式的H桥型电压逆变器工作状态。对于无刷直流电机来说，PWM信号控制V7为反转，控制V9为正转，正转关断V8、V9，导通V10；反转关断V7、V109，导通V8.控制器模型基本PID控制器PID控制器使用一个微分环节、一个积分环节和一个比例环节组成，是运动控制应用中最常见的控制方案，所使用的基础理论是PID控制理论，且在工业生产中也起到重要作用，并不断被应用。图3-11展示的是PID控制器的原理。图STYLEREF1\s3.SEQ图\*ARABIC\s111基本PID控制系统原理图Figure3.11BasicPIDcontrolsystemschematicdiagram三个环节的输入参数为系统产生的偏差e（t），根据输入参数经过三个环节处理后输出控制信号作用于被控对象保证系统的稳定，可用下式表示： u（t）=KpPID控制器中的微分环节、积分环节和比例环节对应的时间常数分别为Td、Ti、Kp US=增量式PID控制器上一节讲述了双向DC/DC功率变换器通过控制内部功率开关处于不同状态能形成多种组合，每一种组合对应一种工作模式，可以通过增量式PID控制器算法对BDPC，控制器的输入为输出参考电压和参考电压的差值UR该算法通过增量形式反应变化量的，采用增量∆u（t）对系统运行进行控制的优点在于，对计算结果的影响降至最低。控制量为增量∆u（t）。其控制算法为：∆ut增量PID控制器中的微分环节、积分环节和比例环节对应的时间常数分别为Td、Ti、Kp，增量∆ut=ut图STYLEREF1\s3.SEQ图\*ARABIC\s112增量式PID控制系统原理图Figure3.12IncrementalPIDcontrolsystemschematicdiagram微分先行PID控制器当被控系统电流在受到波动后会进行改变，而微分环节具有超前性，即H桥型电压逆变器在受到扰动后，扰动作用到电流并使其发生改变之前，微分先行PID控制器对内部的功率开关管的通断状态进行控制，从而在电流还没来得及改变之前就消除扰动，从而使输出电流始终保持在较稳定的数值，提高电动汽车的驱动系统的控制精度，所以本文选用微分先行PID控制器，对只有一个输出值y（t）进行微分操作，输入参数为电机输出电流Im和参考电流Ir（t）我们当做它只是一个基于微分和电动力学的相互作用，这样就已经可以有效防止由于一个频率给定的峰值系统r（t）的频率变化导致2个系统间振荡，下面是该控制器控制算法的数学表达式： ut=udt其原理图如下图3-13所示：图STYLEREF1\s3.SEQ图\*ARABIC\s113微分先行PID控制系统原理图Figure3.13DifferentialadvancePIDcontrolsystemschematicdiagramPID参数选取PID控制器的控制效果与参数的选择具有很大关系，而系统工作过程中控制器的最优参数是变化的，所以最优控制器参数的确定是困难和复杂的，在实际工程应用中提出了多种计算方法，并形成经验公式对参数的可变性进行整定，本文也采用依据经验方法进行对可变参数进行整定的方式，而实际的参数选取效果还需要进一步调整、改进和完善。驱动电机模型和参数设计驱动电机模型电动汽车中的动力执行元件为驱动电机，通过提供的电能实现汽车的运动以及空气动力系统的工作，可以及那个蓄电池提供的电能直接转换成机械功率并向电动汽车输送空气和动力,还需要在发电模式下工作,并且要把其中的机械功率直接转换成电能存储在超级电容等储能元件中，当系统需要较大输出功率时进行辅助输出。图3-14为永磁无刷直流电动机作为电动机和发电机时对应的等效模型。（a）电动模式等效模型（b）发电模式等效模型(a)Electric-drivenmodeequivalentmodel(b)Powergenerationmodeequivalentmodel图STYLEREF1\s3.SEQ图\*ARABIC\s114驱动电机模型Figure3.14drivemotormodelA当驱动电机工作在电动模式时，其电压平衡方程为： Um=在永磁无刷直流电机中，端电压为Um，感应电动势为e，电枢绕组电感为Lm，电流为Ima电机所需功率(Pm Pm=b电机消耗的能量（Em Em=其中，tmB当驱动电机工作在发电模式时，其电压平衡方程为： e=rm其中，R是驱动电机的等效负载。a电机工作在发电模式下运行产生的功率（PG PG=eb电机工作在发电模式下运行产生的能量(EG EG=其中，tG驱动电机参数设计对电动汽车而言，其最主要的动力就是源自电机，而针对电机的参数计算和匹配主要包括了额定功率/转速、峰值功率/转速和最大转矩等。选择一个科学的电动机参数对电动汽车而言是十分关键的，如额定功率的确定，如果数值过低，那么电动机就会时常运行在过载环境中，从而使其使用寿命大大下降；反之，则会处于欠载运行状态，损失掉大量的电能。所以，在确定电机参数的过程中应该综合考虑不同的工况条件。根据我国有关部门发布的相关标准GB-18385-2005中提出，纯电动轿车的动力评价指标包括了最高车