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1、第三章 電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 3.1 電動(dòng)車用電機(jī)及控制器 電機(jī)是電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的核心 高效率 、 寬調(diào)速 、 高密度 轉(zhuǎn)矩響應(yīng)迅速 制動(dòng)能量回饋 Torque-speed characteristics DC motors S p e e d S e p a ra t e l y e x c i t e d or s h unt S e ri e s C um ul a t i v e c om p ou nd T o rq ue S e pa r a tel y e x c i ted S h u n t S e r i e s C u m u l a ti v e c om po u n

2、d Fig. 5-10 Wound-field dc motors. Fig. 5-11 Torque-speed characteristics of wound-field dc motors. aaaa RInKRIEU E T=KT Ia 車用直流電動(dòng)機(jī)特性類型的選擇 : (1)串勵(lì) 直流 電動(dòng)機(jī)機(jī)械 特性硬，適合車輛拖動(dòng)。早期 用途廣泛。但制動(dòng)回饋、轉(zhuǎn)速、重量、效率、維護(hù)等 問(wèn)題，車用越來(lái)越少。 (2)他勵(lì) 直流 電動(dòng)機(jī)曾經(jīng)在 車輛拖動(dòng)中應(yīng)用廣泛。但讓 位于效率更高的永磁有刷電機(jī)（缺點(diǎn)： 勵(lì)磁恒定） (3)永磁無(wú)刷電機(jī)，轉(zhuǎn)速高、效率高、重量輕、 調(diào)速 方便。近年大量使用。 開關(guān)磁阻電

3、機(jī) (switched reluctance drive system) 電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固、維護(hù)方便甚至免 維護(hù) 啟動(dòng)及低速時(shí)轉(zhuǎn)矩大、電流小 ; 高速恒功率區(qū)范圍寬、性能好， 在寬廣轉(zhuǎn)速和功率范圍內(nèi)都具有高效率 3.2開關(guān)磁阻電機(jī)（ SRD）原理 8/6極開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)圖 8/6極開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)控制方案 定、轉(zhuǎn)子的相對(duì)位置作為起始位置，依 次給 ABCD 相繞組通電，轉(zhuǎn)子即會(huì) 逆著勵(lì)磁順序以逆時(shí)針?lè)较蜻B續(xù)旋轉(zhuǎn)； 反之，依次給 DCBA 相通電，則電 動(dòng)機(jī)會(huì)順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)。開關(guān)磁阻電動(dòng) 機(jī)的轉(zhuǎn)向與相繞組的電流方向無(wú)關(guān)，只 取決于相繞組通電的順序 開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)特點(diǎn) 1. 系統(tǒng)效率高 開關(guān)磁

4、阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)在其寬廣的調(diào)速范圍內(nèi)，整體 效率比其它調(diào)速系統(tǒng)高出至少 10%。在低轉(zhuǎn)速及非額定 負(fù)載下高效率更加明顯。 2. 低速下可長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn) 開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)均可帶負(fù)荷 長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)，電機(jī)及控制器的溫升均低于工作在額定負(fù) 載時(shí)的溫升。 3. 高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，低起動(dòng)電流 開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩達(dá)到額定轉(zhuǎn)矩的 150% 時(shí)，起動(dòng)電流僅為額定電流的 30%。 3.3三相異步電機(jī)的工作原理 Induction Motor 1.三相異步電機(jī)結(jié)構(gòu) 機(jī)殼 定子繞組 1.定子部分 : 定子鐵心 接線盒 端蓋 軸承 轉(zhuǎn)子繞組 2.轉(zhuǎn)子部分 轉(zhuǎn)子鐵心 軸 三相異步電機(jī)工作原理 三相異步電

5、機(jī)結(jié)構(gòu) 三相異步電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu) 2.異步電機(jī)的 工作原理 定子繞組通入三相交流電流 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng) 切割轉(zhuǎn)子繞組 轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生感 應(yīng)電勢(shì) 轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生感應(yīng) 電流 轉(zhuǎn)子電流與 磁場(chǎng)作用 產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩 運(yùn)轉(zhuǎn) 3.三相電機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng) 電動(dòng)機(jī)的 旋轉(zhuǎn)原理 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng) 產(chǎn)生的條 件 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng) 原理 極對(duì)數(shù)的形成規(guī)律 三相電機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng) 電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)原理 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)產(chǎn)生的條 件 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng) 原理 極對(duì)數(shù)的形成成規(guī) 律 三相電機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng) 電動(dòng)機(jī)的 旋轉(zhuǎn)原理 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)產(chǎn)生的條 件 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng) 原理 極對(duì)數(shù)的形成規(guī)律 三相對(duì)稱繞組： 互差 120度空 間電角度。 三相對(duì)稱電源： 互差 120度時(shí) 間電角度。 三相電機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng) 電動(dòng)機(jī)

6、的 旋轉(zhuǎn)原理 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng) 產(chǎn)生的條 件 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng) 原理 極對(duì)數(shù)的形成 規(guī)律 電動(dòng)機(jī)的 旋轉(zhuǎn)原理 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng) 產(chǎn)生的條 件 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)原理 極對(duì)數(shù)的形成規(guī)律 電動(dòng)機(jī)的 旋轉(zhuǎn)原理 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng) 產(chǎn)生的條 件 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)原理 極對(duì)數(shù)的形成規(guī)律 電動(dòng)機(jī)的 旋轉(zhuǎn)原理 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng) 產(chǎn)生的條 件 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)原理 極對(duì)數(shù)的形成規(guī)律 三相電機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng) 電動(dòng)機(jī)的 旋轉(zhuǎn)原理 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng) 產(chǎn)生的條 件 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng) 原理 極對(duì)數(shù)的形成規(guī)律 4.基本概念 1.旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的 方向 由相序決定、改變相序 就可改變?nèi)喈惒诫姍C(jī)的轉(zhuǎn)向 . 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的 轉(zhuǎn)向 1.旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的軸線總是與電 流達(dá)到正的最大值的那一 相繞組的軸線重合 . 2.三相對(duì)稱電流相序

7、為 U-V- W. 3.合成磁場(chǎng)的軸線依次由 U 相軸線轉(zhuǎn)到 V相軸線再到 W 相軸線 . 軸線U 軸線V軸線W 2.旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的 轉(zhuǎn) 速 與電源頻率成正比，與 極對(duì)數(shù)成反比 . 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的 速度 P=2 P=1 1.旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)速度稱同步轉(zhuǎn)速 .n 1表示 . 2. n1= 單位轉(zhuǎn) /分 . 3.同步轉(zhuǎn)速與頻率成正比 , 與極對(duì)數(shù)成反比 . 4.同步轉(zhuǎn)速成“有級(jí)” . P=1 n1=3000 P=2 n1=1500 (f1=50HZ) P f160 3. 空間電角度、空間角度、時(shí)間電角度 360度空間 角度。 720度空間 電角度。 360度空間 角度。 360度空間 電角度。 以時(shí)間軸為

8、坐標(biāo)。 一個(gè)周期為 360度。 4.旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的幅值 結(jié)論：合成磁勢(shì) 的幅值是不變的。 5. 轉(zhuǎn)差與轉(zhuǎn)差率 1.異步 :從異步電機(jī)的工作原 理可知 ,相對(duì)的切割運(yùn)動(dòng)是產(chǎn) 生感生電勢(shì)及感生電流的關(guān) 鍵 . 2.對(duì)于電動(dòng)運(yùn)行的異步電機(jī) 而言 ,同步速度與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速總 存在著差 ,稱轉(zhuǎn)差 . 3 . 4.轉(zhuǎn)差率 : nnn 1 %100%100 1 1 1 n nn n nS 三相異步電機(jī)變頻調(diào)速原理 交流電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速表達(dá)式： n 60 f(1 s)/P 式中 n：異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速； f ：異步電動(dòng)機(jī)的頻率； s ： 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差率； P ： 電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)。 轉(zhuǎn)速 n與頻率 f成正比，只要改變頻率 f

9、即可改 變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速 實(shí)際上僅僅改變電動(dòng)機(jī)的頻率并不能獲得良好的變頻 特性。由異步電機(jī)的電勢(shì)公式可知，外加電壓近似與 頻率和磁通乘積成正比，即： U E=C1f 式中， C1為常數(shù)，因此有： E/fU/f 若外加電壓不變，則磁通 隨頻率而改變，如頻率 f下 降，磁通 會(huì)增加，造成磁路過(guò)飽和，勵(lì)磁電流增加， 功率因數(shù)下降，鐵心和線圈過(guò)熱，顯然這是不允許的。 為此，要在降頻的同時(shí)還要降壓，這就要求頻率與電 壓協(xié)調(diào)控制。此外，為了保持在調(diào)速時(shí)，電機(jī)產(chǎn)生最 大轉(zhuǎn)矩不變，需要維持磁通不變，這可由頻率和電壓 協(xié)調(diào)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)，故稱為可變頻率可變電壓調(diào)速 (VVVF)，簡(jiǎn)稱變頻調(diào)速。 1) U/f=C的正弦

10、脈寬調(diào)制 (SPWM)控制方式 控制電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低 機(jī)械特性硬度也較好，能夠滿足一般傳動(dòng)的平滑 調(diào)速要求 在低頻時(shí)，由于輸出電壓較低，轉(zhuǎn)矩受定子電阻 壓降的影響比較顯著，使輸出最大轉(zhuǎn)矩減小 另外，其機(jī)械特性終究沒(méi)有直流電動(dòng)機(jī)硬，動(dòng)態(tài) 轉(zhuǎn)矩能力和靜態(tài)調(diào)速性能都還不盡如人意 系統(tǒng)性能不高、控制曲線會(huì)隨負(fù)載的變化而變化， 轉(zhuǎn)矩響應(yīng)慢、電機(jī)轉(zhuǎn)矩利用率不高，低速時(shí)因定 子電阻和逆變器死區(qū)效應(yīng)的存在而性能下降，穩(wěn) 定性變 2) 電壓空間矢量 (SVPWM)控制方式 它是以三相波形整體生成效果為前提，以逼 近電機(jī)氣隙的理想圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)軌跡為目的， 一次生成三相調(diào)制波形，以內(nèi)切多邊形逼近 圓的方式進(jìn)行

11、控制的。 進(jìn)一步改進(jìn)：引入頻率補(bǔ)償，消除速度控制 的誤差；通過(guò)反饋估算磁鏈幅值，消除低速 時(shí)定子電阻的影響；將輸出電壓、電流閉環(huán)， 以提高動(dòng)態(tài)的精度和穩(wěn)定度。 控制電路環(huán)節(jié)較多，且沒(méi)有引入轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)， 所以系統(tǒng)性能沒(méi)有得到根本改善。 3）矢量控制 (VC)方式 矢量控制實(shí)現(xiàn)的基本原理是通過(guò)測(cè)量和控制異 步電動(dòng)機(jī)定子電流矢量，根據(jù)磁場(chǎng)定向原理分別 對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行控制， 從而達(dá)到控制異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的。 具體是將異步電動(dòng)機(jī)的定子電流矢量分解為產(chǎn)生 磁場(chǎng)的電流分量 (勵(lì)磁電流 ) 和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流 分量 (轉(zhuǎn)矩電流 ) 分別加以控制，并同時(shí)控制兩 分量間的幅值和相位，即控制定

12、子電流矢量，所 以稱這種控制方式稱為矢量控制方式 其實(shí)質(zhì)是將交流電動(dòng)機(jī)等效為直流電動(dòng)機(jī)，分別 對(duì)轉(zhuǎn)矩，磁場(chǎng)兩個(gè)分量進(jìn)行獨(dú)立控制。通過(guò)控制 轉(zhuǎn)子磁鏈，然后分解定子電流而獲得轉(zhuǎn)矩和磁場(chǎng) 兩個(gè)分量，經(jīng)坐標(biāo)變換，實(shí)現(xiàn)正交或解耦控制。 由于矢量控制方式所依據(jù)的是準(zhǔn)確的被控異步 電動(dòng)機(jī)的參數(shù)，有的通用變頻器在使用時(shí)需要 準(zhǔn)確地輸入異步電動(dòng)機(jī)的參數(shù)，有的通用變頻 器需要使用速度傳感器和編碼器。目前新型矢 量控制通用變頻器中已經(jīng)具備異步電動(dòng)機(jī)參數(shù) 自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)辨識(shí)、自適應(yīng)功能，在驅(qū)動(dòng)異 步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行正常運(yùn)轉(zhuǎn)之前可以自動(dòng)地對(duì)異步 電動(dòng)機(jī)的參數(shù)進(jìn)行辨識(shí)，并根據(jù)辨識(shí)結(jié)果調(diào)整 控制算法中的有關(guān)參數(shù)。 矢量控制在實(shí)際

13、應(yīng)用中，由于轉(zhuǎn)子磁鏈難以準(zhǔn) 確觀測(cè)，系統(tǒng)特性受電動(dòng)機(jī)參數(shù)的影響較大， 且在等效直流電動(dòng)機(jī)控制過(guò)程中所用矢量旋轉(zhuǎn) 變換較復(fù)雜，使得實(shí)際的控制效果難以達(dá)到理 想結(jié)果。 （安川、 ABB、西門子） 4）直接轉(zhuǎn)矩控制 (DTC)方式 直接轉(zhuǎn)矩控制直接在定子坐標(biāo)系下分析交流電動(dòng) 機(jī)的數(shù)學(xué)模型，控制電動(dòng)機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩。 采用離散的兩點(diǎn)式調(diào)節(jié)器，把轉(zhuǎn)矩檢測(cè)值與轉(zhuǎn)矩 給定值作比較，使轉(zhuǎn)矩波動(dòng)限制在一定的容差范 圍內(nèi)，容差的大小由頻率調(diào)節(jié)器來(lái)控制，并產(chǎn)生 PWM脈寬調(diào)制信號(hào)，直接對(duì)逆變器的開關(guān)狀態(tài)進(jìn) 行控制，以獲得高動(dòng)態(tài)性能的轉(zhuǎn)矩輸出。 它的控制效果不取決于異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型是 否能夠簡(jiǎn)化，而是取決于轉(zhuǎn)矩的實(shí)

14、際狀況， 它不需要將交流電動(dòng)機(jī)等效為直流電動(dòng)機(jī)，因 而省去了矢量旋轉(zhuǎn)變換中的許多復(fù)雜計(jì)算；它 不需要模仿直流電動(dòng)機(jī)的控制，也不需要為解 耦而簡(jiǎn)化交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型 控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制信號(hào)處理的物理概念明確、 系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)迅速且無(wú)超調(diào)，是一種具有高 靜、動(dòng)態(tài)性能的交流調(diào)速控制方式。 是低速時(shí)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大 ，在啟動(dòng)控制上要采用其 它方案 IM Control PM Motor PM motor for EVs PM motor configuration 3 phase supply stator 3 phase winding PM rotor Rotor Configuration (Con

15、td) Fig. 5-42 Special rotor of a PM synchronous motor. Rotor core PM (NdFeB) Shaft N S N N N S S S D -a x i s Q -a x i s N o n -m a g n e t i c w e d g e PM A i r s l o t N o n -m a g n e t i c s h a ft PM Motor Control Coordinate Conversion Coordinate Conversion PWM Inverter Current Control Torque

16、Control Position Sensor Speed Sensor 項(xiàng)目?jī)?nèi)容 直流電機(jī) 交流電機(jī) 永磁電機(jī) 開關(guān)磁阻 比功率 低 中 高 較高 可靠性 一般 好 優(yōu) 好 結(jié)構(gòu)堅(jiān)固 性 差 好 一般 優(yōu) 外形大小 大 中 小 小 目前成本 較高 低 高 較高 控制器成 本 低 較高 較高 一般 電動(dòng)機(jī) 直流 永磁 開關(guān)磁阻 感應(yīng) 最高效率 85 89 95 97 90 91 94 負(fù)載效率 80 87 73 82 - 93 94 最高轉(zhuǎn)速 (r/ min) 4000 6000 4000 10000- 15000 以 上 9000 15000 成本 / 單 位軸功率 20 30 5 20 -

17、 2. 75 5 控制器的 相對(duì)成本 1 3. 7 6. 0 4 10 2. 5 3. 0 電機(jī)的牢 固性 好 好 優(yōu) 優(yōu) 日豐田公司對(duì)電動(dòng)車電機(jī)的評(píng) 價(jià) 直流電動(dòng)機(jī) 感應(yīng)電動(dòng)機(jī) 永磁電動(dòng)機(jī) 控制性 很好 好 很好 可靠性 一般 很好 好 效率 一般 好 很好 體積 一般 好 很好 成本 很好 好 一般 Key Technology Powertrain Electric Motor and Control System: Power : 5-150 kW Power Density 1.2 kW/kg Motor efficiency 93% (50% operating range at about 85%) Ambient Working Temperature : 40oC - 70oC Power Electronics Efficiency 95% Motor Drive System Overall Efficiency 90% Motor Drive System Life 200,000 km 匹配問(wèn)題 ? 動(dòng)力要求 ?