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1、电动汽车驱动系统解决方案随着化石燃料的逐渐枯竭、石油价格的不断攀升和环境的污染日益严重，人们开始意识到节能环保。 城市中空气的主要污染源来自于汽车的尾气。为了长期可持续发展，改善空气质量，各国政府出台了一系列的减排方案；同时大力鼓励新能源汽车的开发，我公司为了响应和支持国家政策，从2004 年开始设计针对电动汽车的电驱动系统，为整车厂商提供可靠、高效稳定的电驱动系统。电动汽车基本结构o现在高性能的电动汽车通常是专门设计制造的，这种专门设计制造的电动汽车以原有的车体和车架设计为基础，满足电动汽车独有的结构要求并充分利用了电力驱动的灵活性。o与燃油汽车相比，电动汽车的结构特点是灵活，这种灵活性源于
2、电动汽车具有以下几个独特的特点：o电动汽车的能量主要是通过柔性的电线而不是通过刚性的联轴器和转轴传递的，因此各部件的位置布置具有很大的灵活性。o电动汽车的驱动系统布置不同会有很大的区别，采用不同类型电机会影响整车的质量，形状和尺寸。o一般电动汽车可分为三个子系统：即电力驱动子系统， 主能源子系统和辅助控制子系统。 其中电力驱动子系统又是由电控单元、功率转换器、电动机、机械传动装置和驱动车轮组成；主能源子系统由主电源能量管理系统和充电系统构成；辅助控制子系统具有动力转向、温度控制和辅助动力供给等功能。o电动汽车采用的驱动电机有他励电机、交流异步电机、 永磁同步电机和 BLDC 电机。由于永磁同步
3、电机具有功率密度高、效率高、体积小、重量轻等优点，所以越来越多应用于电动汽车。永磁同步电驱动系统控制策略名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 6 页 - - - - - - - - - o永磁同步电动机的数学模型o当永磁同步电动机的定子通入三相交流电时，三相电流在定子绕组的电阻上产生电压降。 由三相交流电产生的旋转电枢磁动势及建立的电枢磁场，一方面切割定子绕组，并在定子绕组中产生感应电动势； 另一方面以电磁力拖动转子以同步转速旋转。电枢电流还会产生仅与定子绕组相
4、交链的定子绕组漏磁通，并在定子绕组中产生 感应漏电动势。此外，转子永磁体产生的磁场也以同步转速切割定子绕组， 从而产生空载电动势。 为了便于分析， 在建立数学模型时，假设以下参数：忽略电动机的铁心饱和；不计电机中的涡流和磁滞损耗； 定子和转子磁动势所产生的磁场沿定子内圆按正弦分布，即忽略磁场中所有的空间谐波； 各相绕组对称，即各相 绕组的匝数与电阻相同， 各相轴线相互位移同样的电角度。o交流永磁同步电动机的控制策略o任何电动机的电磁转矩都是由主磁场和电枢磁场相互作用产生的。直流电动机的主磁场和电枢磁场在空间互差90，因此可以独立调节；交流电机的主磁场和电枢磁场互不垂直，互相影响。因此，长期以来
5、，交流电动机的转矩控制性能较差。经过长期研究，目前的交流电机控制有恒压频比控制、矢量控制、 直接转矩控制等方案。o矢量控制o高性能的交流调速系统需要现代控制理论的支持，对于交流电动机，目前使用最广泛的当属矢量控制方案。自1971 年德国西门子公司 F Blaschke 提出矢量控制原理，该控制方案就倍受青睐。因此，对其进行深入研究。o矢量控制的基本思想是： 在普通的三相交流电动机上模拟直流电机转矩的控制规律， 磁场定向坐标通过矢量变换， 将三相交流电动机的定子电流分解成励磁电流分量和转矩电流分量，并使这两个分量相互垂直， 彼此独立， 然后分别调节， 以获得像直流电动机一样良好的动态特性。 因此
6、矢量控制的关键在于对定子电流幅值和空间 位置( 频率和相位 )的控制。矢量控制的目的是改善转矩控制性能，最终的实施是对id ，iq 的控制。o直接转矩控制名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 6 页 - - - - - - - - - o矢量控制方案是一种有效的交流伺服电动机控制方案，但因其需要复杂的矢量旋转变换， 而且电动机的机械常数低于电磁常数，所以不能迅速地响应矢量控制中的转矩。针对矢量控制的这一缺点， 德国学者 Depenbrock 于上世纪 80 年代
7、提出了一种具有快速转矩响应特性的控制方案， 即直接转矩控制 (DTC)。该控 制方案摒弃了矢量控制中解耦的控制思想及电流反馈环节，采取定子磁链定向的方法，利用离散的两点式控制直接对电动机的定子磁链和转矩进行调节，具有结构简单，转矩响应快等优点。 DTC 最早用于感应电动机， 1997年 L Zhong 等人对 DTC 算法进行改造，将其用于永磁同步电动机控制，目前已有相关的仿真和实验研究。o DTC方法实现磁链和转矩的双闭环控制。在得到电动机的磁链和转矩值后，即可对永磁同步电动机进行DTC 。图 2 给出永磁同步电机的 DTC方案结构框图。它由永磁同步电动机、逆变器、转矩估算、磁链估算及电压矢
8、量切换开关表等环节组成，其中ud，uq，id ，iq 为静止 (d，q)坐标系下电压、电流分量。o解耦控制名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 6 页 - - - - - - - - - o永磁同步电动机数学模型经坐标变换后，id ，id 之间仍存在耦合，不能实现对 id 和 iq 的独立调节。 若想使永磁同步电动机获得良好的动、静态性能，就必须解决id ，iq 的解耦问题。o此时， id 与 iq 无耦合关系， Te=npfiq ，独立调节 iq 可实现转矩的
9、线性化。实现id 恒为 0 的解耦控制，可采用电压型解耦和电流型解耦。前者是一种完全解耦控制方案，可用于对id ，iq 的完全解耦，但实现较为复杂； 后者是一种近似解耦控制方案，控制原理是： 适当选取 id 环电流调节器的参数， 使其具 有相当的增益， 并始终使控制器的参考输入指令id*=O， 可得到 id id*=0 ，iq iq*o ，这样就获得了永磁同步电动机的近似解耦。图 3 给出基于 矢量控制和 id*=O 解耦控制的永磁同步电动机。o调速系统框图永磁同步电机的特点及性能o永磁式同步电动机结构简单、体积小、重量轻、损耗小、效率高，和直流电机相比，它没有直流电机的换向器和电刷等缺点。和
10、异步电动机相比，它由于不需要无功励磁电流，因而效率高，功率因数高， 力矩惯量比大， 定子电流和定子电阻损耗减小，且转子参数可测、 控制性能好； 和普通同步电动机相比， 它省去了励磁装置， 简化了结构，提高了效率。永磁同步电机矢量控制系统能够实现高精度、 高动态性能、 大范围的调速或定位控制， 因此永磁同步电机矢量控制系统应用于电动汽车具有广阔的前景。o永磁同步电动机转子磁路结构不同，则电动机的运行特性、控制系统等也不同。 根据永磁体在转子上的位置的不同，永磁同步电动机主要可分为：表面式和内置式。在表面式永磁同步电动机中，永磁体通常呈瓦片形， 并位于转子铁心的外表面上， 这种电机的重要特点是直、
11、 交轴的主电感相等； 而内置式永磁同步电机的永磁体位 于转子内部，永磁体外表面与定子铁心内圆之间有铁磁物质制成的极靴，可以保护永磁体。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 6 页 - - - - - - - - - o这种永磁电机的重要特点是直、 交轴的主电感不相等。 因此，这两种电机的性能有所不同。永磁同步驱动系统软配置功能、控制及性能o在永磁同步电驱动系统中引入软配置功能，能够根据客户的整车需要配置不同的需求参数， 增加系统的配置灵活性， 使整车与电驱动系统
12、完美匹配， 达到最佳效果： 增加用户的选择空间， 另外还具有如下特点：o强大的操作系统允许机械控制任务、电机控制任务、 用户可配置可编程逻辑并行处理。o宽范围的 I/O 可编程接口以备所需， 适合最大的分布式系统的控制。o内部电池状态检测，里程表，维护次数记录。o现场可编程，操作代码可以下载到Flash 中。o可通过上位机或者手持编程器编程。o高效率，先进的空间矢量控制算法。oPWM 控制技术可以节约电池电能，低电机谐波，低转矩纹波，很小的开关损耗。o很宽的转矩和速度调节范围包含再生能力。o合适的电机温度控制算法适合在各种环境下达到最佳的性能。o实时电池电流，电机转矩，功率估算。o可以定制的功
13、率限制表以减少电机发热和电池在不同状态下保持稳定特性。o高频无声运行。o可以根据用户不同的电池组来配置。oCAN 总线和其它分布式系统通信， 11 位的标识块可通过 VCL由用户配置。o温度保护，报警，自动切断功能，用以保护电机和控制器。o密封，封装和端子达到IP65 环境防护等级，适应苛刻的环境。o绝缘金属底层利于散热，提高可靠性。适用车型o永磁同步直流电机驱动系统由于功率密度高、体积小、效率高、重量轻等特点， 可以广泛应用于纯电动低速乘用车、纯电动高速乘用车、混合动力汽车中巴车和城市电动公交车。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 6 页 - - - - - - - - - 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 6 页 - - - - - - - - -