电动汽车电机控制和驱动技术全套ppt课件.pptx
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1、电动汽车电机控制和驱动技术,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。,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
2、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
3、、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
4、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(Switched Reluctance Motor SRM)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
5、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(Switched Reluctance Motor SRM)是根
6、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
7、。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
8、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
9、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
10、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
11、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
12、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
13、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
14、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
15、,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是完全确定的,其中包含一些未知因素和随机因素。6)变结构控制是一种控制系统的设计方法,适用线线性及非线性系统。7)模糊控制 利用模糊数学的基本思想和理论的控制方法。8)神经网络控制 神经网络控制是(人工)神经网络理论与控制理论相结合的产物,是发展中的学科。9)闭环控制这是一种自动控制系统,其中包括功率放大和反馈,使输出变量的值响应输入变量的值。10)鲁棒控制所谓“鲁棒性”,是指控制系统在一定(结构,大小
16、)的参数摄动下,维持某些性能的特性。,结束,项目二 直流电机类型及其控制技术,第一节 直流电机的类型 直流电动机按结构及工作原理可划分:无刷直流电动机和有刷直流电动机。有刷直流电动机可划分:永磁直流电动机和电磁直流电动机。永磁直流电动机划分:稀土永磁直流电动机、铁氧体永磁直流电动机和铝镍钴永磁直流电动机。直流电机一般是根据励磁方式进行分类:串励直流电动机、并励直流电动机、他励直流电动机和复励直流电动机。按照直流电动机的磁场与电枢绕组的联结关系不同,电动机的励磁方式可分为他励、串励、并励和复励四种。,根据不同励磁方式,直流电动机稳定运行时的基本方程,(l)电压方程 他励电动机I=lf,E=U-I
17、*R 并励电动机I=l-lf,E=U-I*R 串励电动机I=l=lf,E=U-I*(R+Rf)(2)转矩方程 驱动转矩Te必须与机械负载转矩TL乃及空载损耗转矩Tf相平衡,平衡方程式为Te=TL+Tf。(3)电磁功率负载运行时,电磁绕组的感应电动势与电枢电流的乘积,称为电磁功率,用Pe表示:Pe=E*I根据能量守恒定律,对于电动机,电磁功率应等于输出的机械功率,即 Pe=E*I=T2*2兀n/60=T,(4)串励电动机工作特性和机械特性 机械特性是指在额定电压和电磁绕组不变情况下,转矩与转速之间的关系。由转矩公式可知:(1)产生转矩的条件,必须有励磁磁通和电枢电流,而且与两者的乘积成正比(2)
18、磁通不变时,转矩与电流成正比,只要控制了电枢电流,就可以控制转矩的大小;(3)改变电机旋转的方向可以通过改变电枢电流的方向或者改变磁通的方向来实现。1)他励电动机他励电机的励磁方式是励磁绕组与电枢绕组分开,外加两个直流电源进行励磁。,(4)串励电动机工作特性和机械特性 2)并励电机并励电机的励磁方式,是采用励磁绕组与电枢绕组共用同一直流电源,并且励磁绕组与电枢绕组呈并联关系。3)串励电机串励电机励磁方式是将励磁绕组与电枢绕组串联到同一共用电源上,励磁电流即电枢电流。串励电机的转速随负载的大小变化较大,转矩几乎与电枢电流的平方成正比。4)复励电机复励电机有两个励磁绕组,其中一组为与电枢并联的并励
19、绕组,另外一组为与电枢串联的串励绕组。,第二节 直流电机的构造及工作原理,1)直流电机的基本构造。直流电机主要由转子、定子、端盖和电刷架四部分组成。(1)定子定子主要由主磁极、换向磁极、电刷和机座等部分组成。定子的功能是用来产生磁通和进行机械固定。(2)转子转子主要由电枢铁芯、电枢绕组及换向器等部分组成。端盖上装有轴承以支撑电机转子旋转,端盖固定在机座两端。(3)换向器:换向器是由许多换向片组成的整体,装在转子的一端,与换向片间相互绝缘,转动的换向器与固定的电刷滑动接触,使转动的电枢绕组与静止的外电路相连接。(4)电枢绕组:转子绕组是按规律地绕在转子铁芯槽内,与换向器连接,形成闭合回路。其作用
20、是运动中切割磁力线。,2)直流电机工作原理,工作原理:直流电机里边固定有环状永磁体,电流通过转子上的线圈产生安培力,当转子上的线圈与磁场平行时,再继续转动受到的磁场方向将改变,因此此时转子末端的电刷跟转换片交替接触,从而线圈上的电流方向也改变,产生的洛伦兹力方向不变,所以电机能保持一个方向转动。通电线圈在磁场中要受到磁场力的作用。假设电刷A与电源的正极相连,电刷B与电源的负极相连,电流经AdcbaB形成回路。根据左手定则,线圈ab受力向右,线圈cd受力向左。这样就形成 一个转矩,使电枢逆时针旋转。当电枢转过90时,此时通电线圈虽然受到电磁力的作用,但转矩为零。由于电枢机械惯性的作用,电枢也能转
21、动一定的角度,这时线圈中电流的方向也发生了改变。当电枢转过180时,这时电流经过AabcdB形成回路,线圈内电流的方向发生了改变,根据左手定则,线圈ab受力向左,线圈cd受力向右,仍然形成一个逆时针转动的转矩,电枢按同一方向继续旋转,这样电动机就可以连续旋转。,第三节 直流电机的性能特性及特点,1)直流电动机的机械特性(1)并励电动机机械特性及应用并励电动机具有硬的机械特性,即转速随负载变化较小,负载增大时,转速下降不多;具有恒转速特性;可以空载或轻载运行;主磁通很小时可以造成飞车,并且主磁极绕组不允许开路。与他励电动机性能相近,并励电动机适用于负载变化时要求转速比较稳定的场合。(2)串励电动
22、机机械特性串励电动机具有软的机械特性,负载较小时,转速较高,负载增大时,转速迅速下降;具有恒功率特性;空载或轻载时转速很高,会造成换向困难或离心力过大而使电枢绕组损坏,不允许空载起动及皮带传动。串励电动机适用于恒功率负载和速度变化大的负载。而复励电动机性能介于串励与并励之间。,2)直流电动机的工作特性,在电源电压U为额定电压和励磁电路的电阻Rf为常数的条件下,改变负载后,n,T,分别随P2变化的关系称之为工作特性。其曲线如图2-13所示。其中还包括转速特性、转矩特性和效率特性等。,3.直流电机的驱动特性,电动汽车直流电机驱动系统中的直流电机通常采用串励电机和他励电机。电动汽车驱动电机在很多情况
23、下使用的驱动特性。4.直流电机的特点(1)电枢轴要延长,以便安装用于速度检测的脉冲发生器和推力轴接头。(2)转子直径要设计得小些,轴长要设计得长些以适应高速旋转。(3)为了便于散热,电枢槽要设计得多些。(4)为了换向器片、电刷等的定期检查和维护,检查窥视窗口应制造得大些。(5)由于振动,为了防止电刷的误动作,应提高电刷的预压紧力。(6)和其他电动汽车用电机相同,最大功率值和额定功率记录在铭牌上。,第四节 直流电机的控制技术,1)直流电机的调速控制直流电机的物理模型如图2-15所示。直流电机运行过程中符合以下公式。直流电机电磁转矩:Te=KmIa(2-1)式中 Te 电机的电磁转矩,(Nm);励
24、磁磁通(Wb);Ia电枢电流(A);Km由电机结构参数决定的转矩常数。,常用的可控直流电源有以下三种,(1)旋转变流机组 用交流电机和直流发电机组成机组,以获得可调的直流电压。由交流电机(原动机)拖动直流发电机G来实现变流,由G给需要调速的直流电机M供电,调节发电机的励磁电流if的大小,就能够方便地改变其输出电压V,从而调节电机的转速。(2)静止可控整流器 用静止的可控整流器,如晶闸管整流装置产生可调的直流电压和旋转变流机组装置相比,晶闸管整流装置不仅在经济性和可靠性上有很大提高,而且在技术性能上也显示出很大的优越性(3)直流斩波器或脉宽调制变换器 用恒定直流电源或不控整流电源供电,利用直流斩
25、波器或脉宽调制的方法产生可调的直流平均电压。直流斩波器亦称直流调压器,是利用开关器件来实现通断控制,将直流电源电压断续加到负荷上,通过通、断时间的变化来改变负荷上的直流电压平均值,将固定电压的直流电源变成平均值可调的直流电源。,3)直流电机转速、电流双闭环调速系统,直流电动机的转速、电流双闭环调速系统,如图2-19的所示。当车辆处于加速行驶时,蓄电池提供电能,经DC/DC变换器后输出直流电机运行所需的合适的直流电压;当汽车处于减速行驶时,直流电机将机械能转化为电能,经DC/DC变换器后可向车载蓄电池或超级电容器等储能系统充电,所以DC/DC为功率双向的变换器。,4)直流电机的制动控制,直流电动
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