电动汽车电机驱动技术-ppt课件

1、电动汽车电机驱动技术第六章 电动汽车电机驱动技术PPT模板下载： 行业PPT模板： 节日PPT模板： PPT素材下载：PPT背景图片： PPT图表下载： 优秀PPT下载： PPT教程： Word教程： Excel教程： 资料下载： PPT课件下载： 范文下载： 试卷下载： 教案下载： PPT论坛： 6.1 电动汽车电机驱动系统概述新能源汽车与传统汽车相比，有那些不同？新能源汽车与传统汽车相比，有那些不同？ 新能源汽车一般情况下，是将驱动电机取代发动机，使用电机控新能源汽车一般情况下，是将驱动电机取代发动机，使用电机控制器将电能转换为机械能来驱动汽车行驶。制器将电能转换为机械能来驱动汽车行驶。发

2、动机发动机底盘底盘车身车身电器电器电机电机底盘底盘车身车身电器电器控制器控制器（ECUECU）传统汽车传统汽车新能源汽车新能源汽车6.1 电动汽车电机驱动系统概述6.1 电动汽车电机驱动系统概述新能源汽车电机驱动系统主要由哪些部分组成？新能源汽车电机驱动系统主要由哪些部分组成？机械系统：机械传动、车轮等机械系统：机械传动、车轮等电气系统：电机、功率转换器、电子控制器电气系统：电机、功率转换器、电子控制器6.1 电动汽车电机驱动系统概述电动汽车驱动原理分类：电动汽车驱动原理分类：电动汽车电动汽车：主要以动力电池为能源源、全部或部分由电机驱动的汽车。：主要以动力电池为能源源、全部或部分由电机驱动的

3、汽车。电动汽车电动汽车纯电动汽车（纯电动汽车（EVEV）混合动力电动汽车（混合动力电动汽车（HEVHEV）燃料电池电动汽车（燃料电池电动汽车（FCEVFCEV）插电式（插电式（PHEVPHEV）非插电式非插电式6.1 电动汽车电机驱动系统概述基本结构基本结构蓄电池蓄电池逆变器逆变器驱动电机驱动电机驱动轴驱动轴6.1 电动汽车电机驱动系统概述蓄电池蓄电池逆变器逆变器驱动电机驱动电机驱动轴驱动轴蓄电池蓄电池发动机发动机串联式混合动力电动汽车串联式混合动力电动汽车特点：单一的动力装置，两个以上能量源特点：单一的动力装置，两个以上能量源6.1 电动汽车电机驱动系统概述串联式驱动系统示意图串联式驱动系统

4、示意图6.1 电动汽车电机驱动系统概述串联式典型车型介绍串联式典型车型介绍Coaster SHEVCoaster SHEV的外形的外形6.1 电动汽车电机驱动系统概述串联式混合动力电动汽车串联式混合动力电动汽车蓄电池蓄电池逆变器逆变器驱动电机驱动电机驱动轴驱动轴发动机发动机耦合器耦合器并联式驱动系统示意图并联式驱动系统示意图6.1 电动汽车电机驱动系统概述6.1 电动汽车电机驱动系统概述并联式驱动系统组合驱动方式并联式驱动系统组合驱动方式6.1 电动汽车电机驱动系统概述插电式混合动力电动汽车插电式混合动力电动汽车 概念：概念：可以利用电力网（包括家用电源插座）进行补充充电可以利用电力网（包括家

5、用电源插座）进行补充充电的混的混合动力电动汽车。合动力电动汽车。 特点：特点： （1 1）低噪音、低排放）低噪音、低排放 （2 2）介于常规混合动力和纯电动之间）介于常规混合动力和纯电动之间 （3 3）利用晚间）利用晚间“谷电谷电”，降低使用成本，降低使用成本 （4 4）动力电池需要具有深充和深放的能力）动力电池需要具有深充和深放的能力6.1 电动汽车电机驱动系统概述燃料电池电动汽车燃料电池电动汽车组成：组成：燃料电池发电机、燃料储存装置、驱动电机、动力电池等。燃料电池发电机、燃料储存装置、驱动电机、动力电池等。6.1 电动汽车电机驱动系统概述燃料电池电动汽车的基本结构燃料电池电动汽车的基本结

6、构6.1 电动汽车电机驱动系统概述6.1 电动汽车电机驱动系统概述6.1 电动汽车电机驱动系统概述帕萨特领驭燃料电动车动力源帕萨特领驭燃料电动车动力源6.1 电动汽车电机驱动系统概述控制信号流控制信号流动力电源流向动力电源流向机械方式连接机械方式连接6.1 电动汽车电机驱动系统概述电动汽车对驱动电机的性能要求电动汽车对驱动电机的性能要求1 1、体积小、重量轻、体积小、重量轻2 2、在整个运行范围内的高效率、在整个运行范围内的高效率3 3、低转速大转矩特性及宽范围内的恒定功率特性、低转速大转矩特性及宽范围内的恒定功率特性4 4、高可靠性、高可靠性5 5、低价格、低价格6 6、高电压、高电压7 7

7、、高转速、高转速铝制外壳铝制外壳DCDCDCDC6.2 电动汽车驱动电机 电动汽车电动汽车驱动电机及其控制系统驱动电机及其控制系统是电动汽车的是电动汽车的心脏心脏，是把，是把电能转化电能转化为机械能为机械能来驱动车辆的部件。它的任务是在驾驶人的控制下，来驱动车辆的部件。它的任务是在驾驶人的控制下，高效率高效率地地将动力电池的能量转化为车轮的动能，或者将将动力电池的能量转化为车轮的动能，或者将车轮上的动能反馈到动力车轮上的动能反馈到动力电池电池中。电能和机械能的相互转化在电机转子和定子间的气隙形成。中。电能和机械能的相互转化在电机转子和定子间的气隙形成。 目前电动汽车常用的电机及其驱动控制系统有

8、目前电动汽车常用的电机及其驱动控制系统有4种：种： 1）直流电机驱动系统，电机控制一般采用脉宽调制（）直流电机驱动系统，电机控制一般采用脉宽调制（PWM)控制控制方式。方式。 要点：要点： 电源电源-直流，控制方式直流，控制方式-PWM脉宽调制脉宽调制励磁方式：励磁方式： 1.永久磁铁永久磁铁 2.励磁绕组励磁绕组6.2 电动汽车驱动电机6.2 电动汽车驱动电机6.2 电动汽车驱动电机6.2 电动汽车驱动电机什么是直流电机？什么是直流电机？6.2 电动汽车驱动电机l定义：将直流电能和机械能相互转化的旋转电机，定义：将直流电能和机械能相互转化的旋转电机，它可用作电动机或发电机它可用作电动机或发电

9、机直流电机的用途直流电机的用途1. 1.作电源用作电源用直流发电机直流发电机 2. 2.作动力用作动力用直流电动机直流电动机 3. 3.信号的传递信号的传递作为测量元件作为测量元件直流测速发电机直流测速发电机作为执行元件作为执行元件直流伺服电动机直流伺服电动机直流电机的优缺点直流电机的优缺点q优点：优点：直流发电机的电势波形较好，电磁干扰较小。直流发电机的电势波形较好，电磁干扰较小。直流电动机的调速范围宽广，调速特性平滑。直流电动机的调速范围宽广，调速特性平滑。直流电动机过载能力较强，起动和制动转矩较大。直流电动机过载能力较强，起动和制动转矩较大。q缺点缺点：由于存在换向器，其制造、维护复杂，

10、价格较高。由于存在换向器，其制造、维护复杂，价格较高。6.2 电动汽车驱动电机6.2 电动汽车驱动电机他励：他励： 励磁绕组与电枢绕组励磁绕组与电枢绕组无关无关他励式发电机他励式发电机n rfI=IaI Ia a电枢电流电枢电流I If f励磁电流励磁电流I If fI Ia aR Rf fR RL LI IU UE Ea a fIfRUaIaEI并励式电动机并励式电动机6.2 电动汽车驱动电机fCRUaIInaEfI串励式电动机串励式电动机并励：并励： 励磁绕组与电枢绕组励磁绕组与电枢绕组并联并联 串励：串励： 励磁绕组与电枢绕组励磁绕组与电枢绕组串联串联 基本转速基本转速n ne e以下为

11、恒转矩区，基本转速以下为恒转矩区，基本转速n ne e以上为恒功率区。在恒以上为恒功率区。在恒转矩区，励磁电流保持不变，通过改变电枢电压来控制转矩。在高速转矩区，励磁电流保持不变，通过改变电枢电压来控制转矩。在高速恒功率区，电枢电压不变，通过改变励磁电流或弱磁来控制转矩。它恒功率区，电枢电压不变，通过改变励磁电流或弱磁来控制转矩。它的这种特性很适合汽车对动力源低速高转矩、高速低转矩的要求，而的这种特性很适合汽车对动力源低速高转矩、高速低转矩的要求，而且直流电机结构简单，易于平滑调速，控制技技术成熟。且直流电机结构简单，易于平滑调速，控制技技术成熟。6.2 电动汽车驱动电机6.2 电动汽车驱动电

12、机一、电流电枢绕组基本知识一、电流电枢绕组基本知识作用：作用：电枢绕组电枢绕组功率绕组功率绕组。当电枢绕组在磁场中旋转时将感。当电枢绕组在磁场中旋转时将感应电势，当电枢绕组中流通电流时，电流和气隙磁场相互作用将应电势，当电枢绕组中流通电流时，电流和气隙磁场相互作用将产生电磁转矩。产生电磁转矩。通过电枢绕组直流电机进行电功率和机械功率的通过电枢绕组直流电机进行电功率和机械功率的转换转换。 特点：特点：直流绕组是闭合绕组直流绕组是闭合绕组。每个元件的两端点分别连接在两换。每个元件的两端点分别连接在两换向片上，每个换向片连接两个元件，各元件依一定规律依次连接，向片上，每个换向片连接两个元件，各元件依

13、一定规律依次连接，形成闭合回路。形成闭合回路。6.2 电动汽车驱动电机6.2 电动汽车驱动电机b)idOEudwtIdOwtaqd2）交流感应电机驱动系统，电机控制一般采用矢量控制或直接转矩）交流感应电机驱动系统，电机控制一般采用矢量控制或直接转矩控制的变频调速控制方式。控制的变频调速控制方式。 3）交流永磁电机驱动系统，包括永磁同步电机控制系统和水磁光）交流永磁电机驱动系统，包括永磁同步电机控制系统和水磁光明方波电机控制系统，其中永磁同步电机控制一般采用矢量控制方明方波电机控制系统，其中永磁同步电机控制一般采用矢量控制方法，永磁无刷方波电机控制方法与直流电机控制相似。法，永磁无刷方波电机控制

14、方法与直流电机控制相似。 4)开关磁阻电机驱动系统，电机控制一般采用模糊滑模控制方法。开关磁阻电机驱动系统，电机控制一般采用模糊滑模控制方法。6.2 电动汽车驱动电机6.2 电动汽车驱动电机电动汽车的电机驱动系统与传统工业电机驱动系统差别较大，特点如下：电动汽车的电机驱动系统与传统工业电机驱动系统差别较大，特点如下：1）以电机转矩或转速为控制目标，加速踏板、制动踏板和转向盘的给定位置是）以电机转矩或转速为控制目标，加速踏板、制动踏板和转向盘的给定位置是电机转矩或转速的目标值，要求转矩响应快，波动小，稳定性好。电机转矩或转速的目标值，要求转矩响应快，波动小，稳定性好。2）要求电机具有较宽的调速范

15、围，最高转速是基速的）要求电机具有较宽的调速范围，最高转速是基速的2倍以上，电机要能四象限倍以上，电机要能四象限工作。工作。3）为保证汽车动力性好，要求电机低速大转矩输出，并能具有较大的过载距力，）为保证汽车动力性好，要求电机低速大转矩输出，并能具有较大的过载距力，较长的过载时间，过载系数达较长的过载时间，过载系数达2倍以上，过载时间达倍以上，过载时间达3min以上，为保证最高车速，以上，为保证最高车速，要求电机基速以上处于一定恒功率输出要求电机基速以上处于一定恒功率输出4），电机驱动系统要求有高的功率密度和宽转速范围高效工作区，系统效生大），电机驱动系统要求有高的功率密度和宽转速范围高效工作

16、区，系统效生大于于80%的转速区大于的转速区大于75%。5）电机驱动系统可靠性好，电磁兼容性好，易于维护。）电机驱动系统可靠性好，电磁兼容性好，易于维护。矢量控制 由于异步电机的动态数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多由于异步电机的动态数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统。上世纪变量系统。上世纪60年代末由达姆斯塔特工业大学（年代末由达姆斯塔特工业大学（TU Darmstadt）的的K.Hasse提出矢量控制。在提出矢量控制。在70年代初由西门子工程师年代初由西门子工程师F.Blaschke在在布伦瑞克工业大学布伦瑞克工业大学(TU Braunschweig)发表的博士论文中提出三

17、相电发表的博士论文中提出三相电机磁场定向控制方法，通过异步电机机磁场定向控制方法，通过异步电机矢量控制矢量控制理论来解决交流电机转理论来解决交流电机转矩控制问题。矩控制问题。矢量控制实现的基本原理矢量控制实现的基本原理是通过测量和控制异步电动机是通过测量和控制异步电动机定子电流矢量定子电流矢量，根据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转，根据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制异步电动机转矩的目的。矩电流进行控制，从而达到控制异步电动机转矩的目的。永磁同步电机定子铁芯与转子铁芯永磁同步电机定子铁芯与转子铁芯6.3 永磁同步电机永磁同步电机定子铁芯与转子铁芯

18、立体图永磁同步电机定子铁芯与转子铁芯立体图6.3 永磁同步电机嵌好绕组的永磁电机定子铁芯嵌好绕组的永磁电机定子铁芯6.3 永磁同步电机永磁同步电机的剖视图永磁同步电机的剖视图6.3 永磁无刷直流电机（BLDC）内定子铁芯与外永磁转子内定子铁芯与外永磁转子6.3 永磁无刷直流电机（BLDC）有线圈的内定子与霍尔元件有线圈的内定子与霍尔元件6.3 永磁无刷直流电机（BLDC）电机组合在一起的的内定子与外转子电机组合在一起的的内定子与外转子6.3 永磁无刷直流电机（BLDC）八线制：控制器直流电源八线制：控制器直流电源2根（根（REF+，REF-），霍尔传感器），霍尔传感器3根根 （HALL-A/B

19、/C），电机三对绕组），电机三对绕组3根（根（A/B/C）6.3 矢量控制（FOC）矢量控控制基本原理 FOC控制的基本思路基：模拟直流电机的控制方法进行控制，根据线性变换以及变换前后磁势和功率不变的原则，通过正交变换将a-b-c三相坐标下的数学模型变成-二相静止坐标系（Clarke)的模型，然后通过旋转变换将二相静止坐标系的模型变成两相旋转坐标系（Park）的模型（d-q)。在- /d-q变换下将定子电流矢量分解成按转子磁场定向的两个直流分量id/iq（其中，id为励磁电流分量、iq为转矩电流分量）。并对其分别加以控制，控制id相当于控制磁通，控制iq相当于控制转矩。6.3 永磁无刷直流电机

20、（BLDC）磁场定向控制系统（磁场定向控制系统（Field Oriented Control），简称），简称FOC矢量控制。矢量控制。经过上述变换之后得到：经过上述变换之后得到：stsmrmneiiLL2pT -为励磁电流为励磁电流sti-为励磁电流为励磁电流msi6.3 矢量控制（FOC）1、d、q轴是什么轴是什么? d轴是电机中的直轴，轴是电机中的直轴， q轴是交轴。是一个虚拟坐标轴（现实中轴是交轴。是一个虚拟坐标轴（现实中不存在），为了便于分析。励磁磁场和转子磁场会存在一定的角不存在），为了便于分析。励磁磁场和转子磁场会存在一定的角度（功角），可以把两个磁场相互的作用力分解垂直于磁场方向

21、和度（功角），可以把两个磁场相互的作用力分解垂直于磁场方向和呈呈90度交叉方向两部分（就像把一个作用力分解成为度交叉方向两部分（就像把一个作用力分解成为X和和Y轴上的分轴上的分力一样），转子磁极的中心线作为直轴力一样），转子磁极的中心线作为直轴d，将垂直于，将垂直于d轴两相邻磁极轴两相邻磁极间定义为间定义为q轴。轴。6.3 直流电动机调速依据直流电动机的转速直流电动机的转速n n和其他参量的关系可表示为和其他参量的关系可表示为式中式中 UaUa电枢供电电压（电枢供电电压（V V）；）；Ia Ia 电枢电流（电枢电流（A A）；）；励磁磁通（励磁磁通（WbWb）；）；RaRa电枢回路总电阻（电枢

22、回路总电阻（）；）；C Ce电势系数电势系数eaaCRIUan6.3 矢量控制直流电机改变直流电机转速方法有：直流电机改变直流电机转速方法有：1、电枢变阻、电枢变阻2、电枢调压、电枢调压3、改变磁通、改变磁通-恒功率调速恒功率调速恒转矩调速恒转矩调速aTemIC T直流电机转矩直流电机转矩6.3 永磁无刷直流电机（BLDC）磁场定向控制系统（磁场定向控制系统（Field Oriented Control），简称），简称FOC矢量控制。矢量控制。经过上述变换之后得到：经过上述变换之后得到：stsmrmneiiLL2pT -为励磁电流为励磁电流sti-为励磁电流为励磁电流msi6.3 模糊控制适用

23、对象：适用对象： 模糊控制系统通常适用于难以建立解释数学模型的复杂系统的控制。模糊控制系统通常适用于难以建立解释数学模型的复杂系统的控制。建立基础：建立基础： 模糊控制是以模糊集合论，模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的模糊控制是以模糊集合论，模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制。一种计算机数字控制。包含模型：包含模型： 模糊控制系统主要包括模糊控制系统主要包括Mamdani模糊规则控制和模糊规则控制和Takagi-Sugeno模糊模糊模型（简称模型（简称T-S模型）控制两形式。模型）控制两形式。6.3 模糊控制模糊控制的基本原理模糊控制的基本原理 模糊控制系统的基本原理可由图表

24、示，它的核心部分为模糊控模糊控制系统的基本原理可由图表示，它的核心部分为模糊控制器，如图中的虚线框中部分所示。制器，如图中的虚线框中部分所示。6.3 模糊控制模糊控制系统的基本算法可以概括为四个步骤：模糊控制系统的基本算法可以概括为四个步骤：根据本次采样得到的系统的输出值，计算所选择之系统的输入变根据本次采样得到的系统的输出值，计算所选择之系统的输入变量；量；将输入变量的精确值变为模糊量；将输入变量的精确值变为模糊量；根据输入变量（模糊量）机模糊控制规则，按模糊推理合成规则根据输入变量（模糊量）机模糊控制规则，按模糊推理合成规则计算控制量（模糊量）；计算控制量（模糊量）；由上述得到的控制量（模

25、糊量）计算精确量。由上述得到的控制量（模糊量）计算精确量。6.3 模糊控制模糊化模糊化 在模糊控制系统的运行中，控制器的输入、输出值是有确定值在模糊控制系统的运行中，控制器的输入、输出值是有确定值的清晰量，而在进行模糊控制时，需要的是模糊量，因而需要转换。的清晰量，而在进行模糊控制时，需要的是模糊量，因而需要转换。把物理量的清晰值转换成模糊语言变量值的过程叫做清晰量的模糊化。把物理量的清晰值转换成模糊语言变量值的过程叫做清晰量的模糊化。 以语言变量以语言变量“ “偏差偏差” ”x为例，设为例，设x的实际取值范围是连续值，且的实际取值范围是连续值，且x-6, 6。将该语言变量模糊化的过程如下：。

26、将该语言变量模糊化的过程如下： 1. 将连续论域将连续论域X= -6, 6离散化：离散化：N=-6, -5, -4, -3, -2,-1, 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6; 2. 设定语言变量的语言值：设定语言变量的语言值：NB, NM, NS, O, PS, PM,PB; 3. 定义好每个语言变量值，即给他们设定隶属度函数定义好每个语言变量值，即给他们设定隶属度函数6.3 模糊控制隶属度赋值表隶属度赋值表6.3 模糊控制4. 将实际值与模糊值对应：如实际值将实际值与模糊值对应：如实际值x=-6, 它是离散化后论域中的点，它是离散化后论域中的点，而且而且故将故将-6模糊化模糊化NB；又

27、如对实际值；又如对实际值x=-0.8，将其四舍五入取整是，将其四舍五入取整是-1，由于，由于所以将实际值所以将实际值x=-0.8离散化为离散化为NS一般情况下，如果一般情况下，如果x的实际取值范围是连续值，且的实际取值范围是连续值，且xa, b，要将其转，要将其转换成换成-n, n区间的离散值区间的离散值y，则转换公式为，则转换公式为 y=2nx-(a+b)/2/(b-a)6.3 模糊控制对于离散化不不对称的情况，如对于离散化不不对称的情况，如-n,m，转换公式为，转换公式为y=(m+n)x-(a+b)/2/(b-a) 模糊控制规则模糊控制规则 模糊控制规则是由一系列模糊控制规则是由一系列if

28、-then形式的模糊条件语句所构成，条形式的模糊条件语句所构成，条件句中的前件为系统的输入或状态，后件是控制量。件句中的前件为系统的输入或状态，后件是控制量。 推理机制推理机制 模糊推理是指采用某推理方法，由采样时刻的输入和模糊控制规模糊推理是指采用某推理方法，由采样时刻的输入和模糊控制规则导出模糊控制器控制量的输出。常用的推理方法有：则导出模糊控制器控制量的输出。常用的推理方法有：6.3 模糊控制1. Mamdani模糊推理算法；模糊推理算法；2. Larsen模糊推理算法；模糊推理算法；3. Takagi-Sugeno模糊推理算法；模糊推理算法；4. Tsukamoto模糊推理算法；模糊推

29、理算法；5. 简单模糊推理算法。简单模糊推理算法。6.3 模糊控制 前面我们提到，对多输入多输出（前面我们提到，对多输入多输出（MIMO）模糊控制器，其规则）模糊控制器，其规则库均可以看成是多个独立的多输入单输出系统。因而，在此只考虑库均可以看成是多个独立的多输入单输出系统。因而，在此只考虑MISO系统。不失一般性，考虑两个输入系统。不失一般性，考虑两个输入一个输出的模糊控制器。一个输出的模糊控制器。设已建立的模糊控制规则为设已建立的模糊控制规则为6.3 模糊控制R1： 如果如果x是是A1 and y是是B1，则，则z是是C1R2： 如果如果x是是A2 and y是是B2，则，则z是是C2Rn：如果：如果x是是An and y是是Bn，则，则z是是Cn设已知模糊控制器的输入模糊量为：设已知模糊控制器的输入模糊量为：x是是Aand y是是B，则根据模糊控，则根据模糊控制规则进行模糊推理，可以得出输出变量制规则进行模糊推理，可以得出输出变量z的值为的值为C计算如下：计算如下：6.3 模糊控制 其中包括了三种主要的模糊逻辑运算：其中包括了三种主要的模糊逻辑运算：and运算，合成运算运