电动汽车驱动电机及控制系统

第五章电动汽车驱动电机及控制系统1.电机驱动系统的作用与组成电动汽车电机驱动系统是新能源汽车的核心技术之一，它的主要任务是按驾驶员的驾驶意图，将动力电池的化学能高效地转化为机械能，经过变速器、驱动轴等机构驱动车轮。电动机驱动系统主要有电动机、功率器件和控制系统组成。1.电机驱动系统的作用与组成变速杆加速踏板制动踏板控制器电源（蓄电池）功率转换器电动机各种检测传感器控制信号流向动力电源流向电机驱动系统基本组成框图2.电机的基本概念1.电机电机，是指依据电磁感应定律实现电能转换或传递的电磁装置。它的主要作用是产生驱动转矩，作为车用电器或各种机械的动力源。通常指电动机与发电机。2.电机的关键参数：转速：额定转速：是指在额定功率下电机的转速。单位为。电机转矩：电机扭矩即电动机的输出扭矩，为电动机的基本参数之一。常用单位为NM。功率：额定功率是指电机在额定电压额定环境等条件下电机轴上的输出功率。常用单位是Kw。2.电机的基本概念效率：效率指的电机有效输出功率与总功率之率，不同类型电机效率曲线不同。对于电动汽车而言，电机的效率可以表示为：汽车发电机汽车启动电机3.新能源汽车对电机的要求1.高电压。在允许的范围内，尽可能采用高电压，可以减小电动机的尺寸和导线等装备的尺寸，特别是可以降低逆变器的成本。2.转速高。电动汽车所采用的感应电动机的转速可以达到8000-12000r/min，高转速电动机的体积较小，质量较轻，有利于降低装车的装备质量。3.质量轻，体积小。电动机可通过采用铝合金外壳等途径降低电动机的质量，各种控制装置和冷却系统的材料等也尽可能选用轻质材料。4.电动机应具有较大的启动转矩和较大范围的调速性能，以满足启动、加速、行驶、减速、制动所需的功率与转矩。能够实现快速充电。3.新能源汽车对电机的要求5.电动汽车驱动电动机需要有4至5倍的过载，以满足短时加速行驶与最大爬坡度的要求，而工业驱动电动机只要求有2倍的过载就可以了。6.电动汽车驱动电动机应具有高的可控性、稳态精度、动态性能，以满足多部电动机协调运行，而工业驱动电动机只要求满足某一种特定的性能。7.电动机应具有高效率、低损耗，并在车辆减速时，可进行制动能量回收。8.电气系统安全性和控制系统的安全性应达到有关的标准和规定。9.电机能够在恶劣条件下可靠工作。电动机应具有高的可靠性、耐温和耐潮性，并在运行时噪声低，能够在较恶劣的环境下长期工作。10.结构简单，适合大批量生产，使用维修方便，价格便宜等。4.不同类型的电机1.直流电动机有刷直流电动机的主要优点是控制简单、技术成熟。具有交流电机不可比拟的优良控制特性。由于存在电刷和机械换向器，不但限制了电机过载能力与速度的进一步提高，而且如果长时间运行，势必要经常维护和更换电刷和换向器。由于损耗存在于转子上，使得散热困难，限制了电机转矩质量比的进一步提高。鉴于直流电动机存在以上缺陷，在新研制的电动汽车上已基本不采用直流电动机。4.不同类型的电机2.交流三相感应电动机交流三相感应电动机是应用得最广泛的电动机。其定子和转子采用硅钢片叠压而定子之间没有相互接触的滑环、换向器等部件。结构简单，运行可靠，经久耐用。交流感应电动机的功率覆盖面很宽广，转速达到12000～15000r/min。可采用空气冷却或液体冷却方式，冷却自由度高。对环境的适应性好，井能够实现再生反馈制动。与同样功率的直流电动机相比较，效率较高，质量减轻一半左右，价格便宜，维修方便。4.不同类型的电机2.交流三相感应电动机1U2W1V2U2V1W异步电机工作原理图笼型三相异步电动机的结构4.不同类型的电机3.永磁无刷直流电动机永磁无刷直流电动机是一种高性能的电动机。具有直流电动机特性的无刷直流电动机，反电动势波形和供电电流波形都是矩形波，所以又称为矩形波同步电动机。它采用永磁体转子，没有励磁损耗：发热的电枢绕组又装在外面的定子上，散热容易，因此，永磁无刷直流电动机没有换向火花，没有无线电干扰，寿命长，运行可靠，维修简便。它的转速不受机械换向的限制，如果采用空气轴承或磁悬浮轴承，可以在每分钟高达几十万转运行。永磁无刷直流电动机机系统相比具有更高的能量密度和更高的效率，在电动汽车中有着很好的应用前景。4.不同类型的电机3.永磁无刷直流电动机永磁无刷直流电动机的工作原理是利用电动机转子位置传感器输出信号控制电子换向线路去驱动逆变器的功率开关器件，使电枢绕组依次通电，从而在定子上产生跳跃式的旋转磁场，拖动电动机转子旋转。同时，随着电动机转子的转动，转子位置传感器又不断送出位置信号，以不断的改变电枢绕组的通电状态，使得在某一磁极下导体中的电流方向保持不变，这样电动机就旋转起来了。永磁无刷直流电动机的工作原理示意图4.不同类型的电机4.永磁同步电动机永磁同步电动机实际上是一种凸极式电动机，一般其在定子结构上采用与三相交流电动机相似的三相对称绕组，交流电源通过交—直—交电压型逆变器或直—交电压电压型逆变器，调制为电压可变化的三相正弦波电压，输入永磁同步电动机三相对称绕组后，产生三相对称的三相电流，在正弦波定子电流和正弦波反电动势的作用下，气隙中产生旋转磁场，带动转子跟随旋转磁场同步旋转。4.不同类型的电机4.永磁同步电动机定子铁芯与绕组装在机座里的定子4.不同类型的电机4.永磁同步电动机——工作原理4.不同类型的电机4.永磁同步电动机NSTnsn三相永磁同步电动机工作原理示意图永磁同步电动机的结构示意图4.不同类型的电机5.开关磁阻电动机开关磁阻电动机是一种新型电动机，该系统具有很多明显的特点：它的结构比其它任何一种电动机都要简单，在电动机的转子上没有滑环、绕组和永磁体等，只是在定子上有简单的集中绕组，绕组的端部较短，没有相间跨接线，维护修理容易。开关磁阻电动机具有高度的非线性特性，因此，它的驱动系统较为复杂。它的控制系统包括功率变换器。但近年来的研究表明，采用合理的设计、制造和控制技术，开关磁阻电动机的噪声完全可以得到良好的抑制。4.不同类型的电机5.开关磁阻电动机开关磁阻电动机的工作原理示意图4.不同类型的电机6.电动汽车采用的各种驱动电动机性能比较目前交流电动机、永磁电动机和开关磁阻电动机以及它们的控制装置，成本还比较高，形成批量生产以后，这些电动机和单元控制装置的价格会迅速降低，将能够满足经济效益的要求，并使电动汽车整车价格降低。5.新能源汽车电机的发展直流电机的效率和转速相对较低，其换向器维护困难，直流电机价格高、体积和重量大。随着控制理论和电力电了技术的发展，直流驱动系统与其它驱动系统相比，己大大处于劣势。因此，目前国外各大公司研制的电动车电气驱动系统己逐渐淘汰了直流驱动系统。20世纪90年代后，交流电机驱动系统的研制和开发有了新的突破。相比直流电机，交流电机体积小、质量轻、效率高、调速范围宽、可靠性高、价格便宜、维修简单方便，在电动汽车上得到了广泛应用。交流电机包括异步电机、永磁电机以及开关磁阻电机。5.新能源汽车电机的发展美国以及欧洲研制的电动汽车多采用这种电动机，如Chrysler公司生产的EpicVan；Ford公司生产的RangerEV，通用汽车公司生产的IMPACT和EH电动汽车。国内也采用感应电动机作为电动汽车的驱动电机也比较多，如胜利SL6700DD电动客车，郑州华联ZK6820HG-1电动轻型客车。但其最大缺点是驱动电路复杂，相对永磁电机而言，其效率和功率密度偏低，因此有被其它新型永磁电机逐步取代的趋势。5.新能源汽车电机的发展永磁电机包括永磁无刷直流电机和永磁无刷同步电机两种。永磁无刷直流电机是在直流电机的基础上不再用电刷和换向器，起动转矩大、过载能力强，非常适合电动车的运行特性。随着稀土永磁材料的开发和应用，永磁无刷电机的性能有了很大的提高，是未来最有发展前景的驱动电机之一。开关磁阻电机(SRM)是英国于1983年首次正式推出的，经过多年的研制开发，己成为现代电动汽车交流驱动的又一个新支，它具有可控相数多、实现四象限控制方便、成本低。总之，电动汽车驱动电机总的发展趋势是由通用走向专用，由直流走向交流；电机的功率密度、可靠性及耐久性不断提高；驱动控制系统向集成化与一体化发展。逆变器逆变器（inverter）是把直流电能（电池、蓄电瓶）转变成交流电。它由逆变桥、控制逻辑和滤波电路组成。变频器变频器（Varizble-frequencyDrive,VFD）是应用变频技术与微电子技术，通过改变电动机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、逆变（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成。普锐斯动力控制单元的组成结构示意图以普锐斯油电混合动力系统为例，系统中安装有由变频器、可变电压系统、DC/DC转换器组成的动力控制单元。变频器普锐斯电动汽车带转换器的变频器总成示意图电动汽车的控制系统1.整车控制器VCUVCU是实现整车控制决策的核心电子控制单元。VCU功能：通过采集油门踏板、挡位、刹车踏板等信号来判断驾驶员的驾驶意图通过监测车辆状态（车速、温度等）信息，由VCU判断处理后，向动力系统、动力电池系统发送车辆的运行状态控制指令，同时控制车载附件电力系统的工作模式VCU具有整车系统故障诊断保护与存储功能。1.整车控制器VCUVCU包括外壳、硬件电路、底层软件和应用层软件，硬件电路、底层软件和应用层软件是VCU的关键核心技术。2.电机控制器MCU电机控制器，简称MCU，是新能源汽车特有的核心功率电子单元，通过接收VCU的车辆行驶控制指令，控制电动机输出指定的扭矩和转速，驱动车辆行驶。实现把动力电池的直流电能转换为所需的高压交流电、并驱动电机本体输出机械能。同时，MCU具有电机系统故障诊断保护和存储功能，当诊断出异常时，它将会激活一个错误代码，发送给整车控制器。MCU会将电机控制系统运行状态的信息发送给整车控制器。电机控制系统使用了电流、电压、温度传感器来提供电机的工作信息。2.电机控制器MCU由外壳及冷却系统、功率电子单元、控制电路、底层软件和控制算法软件组成。3.电源管理系统BMS电池管理系统,是电池保护和管理的核心部件，在动力电池系统中，它的作用就相当于人的大脑。它不仅要保证电池安全可靠的使用，而且要充分发挥电池的能力和延长使用寿命，作为电池和整车控制器以及驾驶者沟通的桥梁，通过控制接触器控制动力电池组的充放电，并向VCU上报动力电池系统的基本参数及故障信息。实验证明，配备完善电源管理系统的电池组，其循环寿命是不配管理系统电池组的3倍以上。3.电源管理系统BMS电池包的结构组成4.制动能量回馈系统制动能量回馈，又称回馈制动或再生制动，在电动汽车一般采取电能式再生制动能量回收方法，是指在减速或制动过程中，驱动电机工作于发电状态，将车辆的部分动能转化为电能储存于储能装置中（如各种蓄电池、超级电容和超高速飞轮），同时施加电机回馈转矩于驱动轴，对车辆进行制动。回馈技术的应用一方面增加了电驱动车辆一次充电的续驶里程，另一方面减少了传统制动器的磨损，同时还改善了整车动力学的控制性能。4.制动能量回馈系统再生制动系统由驱动轮、主减速器、变速器、电动机、AC/DC转换器、DC/DC转换器、能量储存系统以及控制器组成。本章课程结束