电动汽车电机驱动技术概述

第六章电动汽车电机驱动技术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。发动机底盘车身电器电机底盘车身电器控制器（ECU）传统汽车新能源汽车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？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：主要以动力电池为能源源、全部或部分由电机驱动的汽车。电动汽车纯电动汽车（EV）混合动力电动汽车（HEV）燃料电池电动汽车（FCEV）插电式（PHEV）非插电式6.1电动汽车电机驱动系统概述基本结构蓄电池逆变器驱动电机驱动轴6.1电动汽车电机驱动系统概述蓄电池逆变器驱动电机驱动轴蓄电池发动机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6.1电动汽车电机驱动系统概述串联式驱动系统示意图6.1电动汽车电机驱动系统概述串联式典型车型介绍CoasterSHEV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蓄电池逆变器驱动电机驱动轴发动机耦合器并联式驱驱动系统统示意图图6.1电动汽车车电机驱驱动系统统概述6.1电动汽车车电机驱驱动系统统概述并联式驱驱动系统统组合驱驱动方式式6.1电动汽车车电机驱驱动系统统概述插电式混混合动力力电动汽汽车概念：可以利用用电力网网（包括括家用电电源插座座）进行行补充充充电的混合动力电电动汽车车。特点：（1）低噪音音、低排排放（2）介于常常规混合合动力和和纯电动动之间（3）利用晚晚间“谷谷电”，，降低使使用成本本（4）动力电电池需要要具有深深充和深深放的能能力6.1电动汽车车电机驱驱动系统统概述燃料电池池电动汽汽车组成：燃料电池池发电机机、燃料料储存装装置、驱驱动电机机、动力力电池等等。6.1电动汽车车电机驱驱动系统统概述燃料电池池电动汽汽车的基基本结构构6.1电动汽车车电机驱驱动系统统概述6.1电动汽车车电机驱驱动系统统概述6.1电动汽车车电机驱驱动系统统概述帕萨特领领驭燃料料电动车车动力源源6.1电动汽车车电机驱驱动系统统概述控制信号号流动力电源源流向机械方式式连接6.1电动汽车车电机驱驱动系统统概述电动汽车车对驱动动电机的的性能要要求1、体积小小、重量量轻2、在整个个运行范范围内的的高效率率3、低转速速大转矩矩特性及及宽范围围内的恒恒定功率率特性4、高可靠靠性5、低价格格6、高电压压7、高转速速铝制外壳壳DCDC6.2电动汽车车驱动电电机电动汽车车驱动电机机及其控控制系统统是电动汽汽车的心脏，是把电能转化化为机械械能来驱动车车辆的部部件。它它的任务务是在驾驾驶人的的控制下下，高效率地将动力电池池的能量转化化为车轮的动动能，或者将将车轮上的动能能反馈到动力力电池中。电能和机机械能的相互互转化在电机机转子和定子子间的气隙形形成。目前电动汽车车常用的电机机及其驱动控控制系统有4种：1）直流电机驱驱动系统，电电机控制一般般采用脉宽调调制（PWM)控制方式。要点：电源---直流，控制方方式---PWM脉宽调制励磁方式：1.永久磁铁2.励磁绕组6.2电动汽车驱动动电机6.2电动汽车驱动动电机6.2电动汽车驱动动电机6.2电动汽车驱动动电机什么是直流电电机？6.2电动汽车驱动动电机定义：将直流流电能和机械械能相互转化化的旋转电机机，它可用作作电动机或发发电机直流电机的用用途1.作电源用——直流发电机2.作动力用——直流电动机3.信号的传递作为测量元件件——直流测速发电电机作为执行元件件——直流伺服电动动机直流电机的优优缺点优点：直流发电机的的电势波形较较好，电磁干干扰较小。直流电动机的的调速范围宽宽广，调速特特性平滑。直流电动机过过载能力较强强，起动和制制动转矩较大大。缺点：由于存在换向向器，其制造造、维护复杂杂，价格较高高。6.2电动汽车驱动动电机6.2电动汽车驱动动电机他励：励磁磁绕组与电枢枢绕组无关他励式发电机nrfI=IaIa－－电枢电流If－－励磁电流IfIaRfRLIUEa并励式电动机6.2电动汽车驱动动电机串励式电动机并励：励磁磁绕组与电枢枢绕组并联串励：励磁磁绕组与电枢枢绕组串联基本转速ne以下为恒转矩矩区，基本转转速ne以上为恒功率率区。在恒转转矩区，励磁磁电流保持不不变，通过改改变电枢电压压来控制转矩矩。在高速恒恒功率区，电电枢电压不变变，通过改变变励磁电流或或弱磁来控制制转矩。它的的这种特性很很适合汽车对对动力源低速速高转矩、高高速低转矩的的要求，而且且直流电机结结构简单，易易于平滑调速速，控制技技技术成熟。6.2电动汽车驱动动电机6.2电动汽车驱动动电机一、电流电枢枢绕组基本知知识作用：电枢绕组——功率绕组。当电枢绕组组在磁场中旋旋转时将感应应电势，当电电枢绕组中流流通电流时，，电流和气隙隙磁场相互作作用将产生电电磁转矩。通过电枢绕组组直流电机进进行电功率和和机械功率的的转换。特点：直流绕组是闭闭合绕组。每个元件的的两端点分别别连接在两换换向片上，每每个换向片连连接两个元件件，各元件依依一定规律依依次连接，形形成闭合回路路。6.2电动汽车驱动动电机6.2电动汽车驱动动电机b)idOEudwtIdOwtaqd2）交流感应电电机驱动系统统，电机控制制一般采用矢矢量控制或直直接转矩控制制的变频调速速控制方式。。3）交流永磁电电机驱动系统统，包括永磁磁同步电机控控制系统和水水磁光明方波波电机控制系系统，其中永永磁同步电机机控制一般采采用矢量控制制方法，永磁磁无刷方波电电机控制方法法与直流电机机控制相似。。4)开关磁阻电机机驱动系统，，电机控制一一般采用模糊糊滑模控制方方法。6.2电动汽车驱动动电机6.2电动汽车驱动动电机电动汽车的电电机驱动系统统与传统工业业电机驱动系系统差别较大大，特点如下下：1）以电机转矩矩或转速为控控制目标，加加速踏板、制制动踏板和转转向盘的给定定位置是电机机转矩或转速速的目标值，，要求转矩响响应快，波动动小，稳定性性好。2）要求电机具具有较宽的调调速范围，最最高转速是基基速的2倍以上，电机机要能四象限限工作。3）为保证汽车车动力性好，，要求电机低低速大转矩输输出，并能具具有较大的过过载距力，较较长的过载时时间，过载系系数达2倍以上，过载载时间达3min以上，为保证证最高车速，，要求电机基基速以上处于于一定恒功率率输出4），电机驱动动系统要求有有高的功率密密度和宽转速速范围高效工工作区，系统统效生大于80%的转速区大于于75%。5）电机驱动系系统可靠性好好，电磁兼容容性好，易于于维护。矢量控制由于异步电机机的动态数学学模型是一个个高阶、非线线性、强耦合合的多变量系系统。上世纪纪60年代末由达姆姆斯塔特工业业大学（TUDarmstadt）的K.Hasse提出矢量控制制。在70年代初由西门门子工程师F.Blaschke在布伦瑞克工工业大学(TUBraunschweig)发表的博士论论文中提出三三相电机磁场场定向控制方方法，通过异异步电机矢量控制理论来解决交交流电机转矩矩控制问题。。矢量控制实现现的基本原理理是通过测量和和控制异步电电动机定子电流矢量量，根据磁场定定向原理分别别对异步电动动机的励磁电电流和转矩电电流进行控制制，从而达到到控制异步电电动机转矩的的目的。永磁同步电机机定子铁芯与与转子铁芯6.3永磁同步电机机永磁同步电机机定子铁芯与与转子铁芯立立体图6.3永磁同步电机机嵌好绕组的永永磁电机定子子铁芯6.3永磁同步电机机永磁同步电机机的剖视图6.3永磁无刷直流流电机（BLDC）内定子铁芯与与外永磁转子子6.3永磁无刷直流流电机（BLDC）有线圈的内定定子与霍尔元元件6.3永磁无刷直流流电机（BLDC）电机组合在一一起的的内定定子与外转子子6.3永磁无刷直流流电机（BLDC）八线制：控制制器直流电源源2根（REF+，REF-），霍尔传感感器3根（HALL-A/B/C），电机三对对绕组3根（A/B/C）6.3矢量控制（FOC）矢量控控制基基本原理FOC控制的基本思思路基：模拟直流电机机的控制方法法进行控制，根据线性变变换以及变换换前后磁势和和功率不变的的原则，通过过正交变换将将a-b-c三相坐标下的数学学模型变成α-β二相静止坐标系（（Clarke)的模型，然后后通过旋转变变换将二相静静止坐标系的的模型变成两两相旋转坐标标系（Park）的模型（d-q)。在α-β/d-q变换下将定子子电流矢量分分解成按转子子磁场定向的的两个直流分量id/iq（其中，id为励磁电流分分量、iq为转矩电流分分量）。并对其分分别加以控制制，控制id相当于控制磁磁通，控制iq相当于控制转转矩。6.3永磁无刷直流流电机（BLDC）磁场定向控制制系统（FieldOrientedControl），简称FOC矢量控制。经过上述变换换之后得到：：--为励磁电流--为励磁电流6.3矢量控制（FOC）1、d、q轴是是什什么么?d轴是是电电机机中中的的直直轴轴，，q轴是是交交轴轴。。是是一一个个虚虚拟拟坐坐标标轴轴（（现现实实中中不存存在在）），，为为了了便便于于分分析析。。励励磁磁磁磁场场和和转转子子磁磁场场会会存存在在一一定定的的角角度（（功功角角）），，可可以以把把两两个个磁磁场场相相互互的的作作用用力力分分解解垂垂直直于于磁磁场场方方向向和和呈90度交交叉叉方方向向两两部部分分（（就就像像把把一一个个作作用用力力分分解解成成为为X和Y轴上上的的分分力一一样样）），，转转子子磁磁极极的的中中心心线线作作为为直直轴轴d，将将垂垂直直于于d轴两两相相邻邻磁磁极极间定定义义为为q轴。。6.3直流流电电动动机机调调速速依依据据直流流电电动动机机的的转转速速n和其其他他参参量量的的关关系系可可表表示示为为式中中Ua————电枢枢供供电电电电压压（（V）；；Ia————电枢枢电电流流（（A）；；Ф————励磁磁磁磁通通（（Wb）；；Ra————电枢枢回回路路总总电电阻阻（（Ω）；；Ce———电势势系系数数6.3矢量量控控制制◆直流流电电机机改改变变直直流流电电机机转转速速方方法法有有：：1、电电枢枢变变阻阻2、电电枢枢调调压压3、改改变变磁磁通通----恒功功率率调调速速恒转转矩矩调调速速直流流电电机机转转矩矩6.3永磁磁无无刷刷直直流流电电机机（（BLDC）磁场场定定向向控控制制系系统统（（FieldOrientedControl），，简简称称FOC矢量量控控制制。。经过过上上述述变变换换之之后后得得到到：：--为励励磁磁电电流流--为励励磁磁电电流流6.3模糊糊控控制制•适用用对对象象：：模糊糊控控制制系系统统通通常常适适用用于于难难以以建建立立解解释释数数学学模模型型的的复复杂杂系系统统的的控控制制。。•建立立基基础础：：模糊糊控控制制是是以以模模糊糊集集合合论论，，模模糊糊语语言言变变量量及及模模糊糊逻逻辑辑推推理理为为基基础础的的一一种种计计算算机机数数字字控控制制。。•包含含模模型型：：模糊糊控控制制系系统统主主要要包包括括Mamdani模糊糊规规则则控控制制和和Takagi-Sugeno模糊糊模模型型（（简简称称T-S模型型））控控制制两两形形式式。。6.3模糊糊控控制制模糊糊控控制制的的基基本本原原理理模糊糊控控制制系系统统的的基基本本原原理理可可由由图图表表示示，，它它的的核核心心部部分分为为模模糊糊控控制制器器，，如如图图中中的的虚虚线线框框中中部部分分所所示示。。6.3模糊糊控控制制模糊糊控控制制系系统统的的基基本本算算法法可可以以概概括括为为四四个个步步骤骤：：根据据本本次次采采样样得得到到的的系系统统的的输输出出值值，，计计算算所所选选择择之之系系统统的的输输入入变变量量；；将输输入入变变量量的的精精确确值值变变为为模模糊糊量量；；根据据输输入入变变量量（（模模糊糊量量））机机模模糊糊控控制制规规则则，，按按模模糊糊推推理理合合成成规规则则计计算算控控制制量量（（模模糊糊量量））；；由上上述述得得到到的的控控制制量量（（模模糊糊量量））计计算算精精确确量量。。6.3模糊糊控控制制模糊糊化化在模模糊糊控控制制系系统统的的运运行行中中，，控控制制器器的的输输入入、、输输出出值值是是有有确确定定值值的的清清晰晰量量，，而而在在进进行行模模糊糊控控制制时时，，需需要要的的是是模模糊糊量量，，因因而而需需要要转转换换。。把物物理理量量的的清清晰晰值值转转换换成成模模糊糊语语言言变变量量值值的的过过程程叫叫做做清清晰晰量量的的模模糊糊化化。。以语语言言变变量量““偏偏差差””x为例例，，设设x的实实际际取取值值范范围围是是连连续续值值，，且且x∈[-6,6]。将将该该语语言言变变量量模模糊糊化化的的过过程程如如下下：：1.将连连续续论论域域X=[-6,6]离散散化化：：N=[-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6];2.设定定语语言言变变量量的的语语言言值值：：NB,NM,NS,O,PS,PM,PB;3.定义义好好每每个个语语言言变变量量值值，，即即给给他他们们设设定定隶隶属属度度函函数数6.3模糊糊控控制制隶属属度度赋赋值值表表6.3模糊糊控控制制4.将实实际际值值与与模模糊糊值值对对应应：：如如实实际际值值x=-6,它是是离离散散化化后后论论域域中中的的点点，，而而且且故将将-6模糊糊化化NB；又又如如对对实实际际值值x=-0.8，将将其其四四舍舍五五入入取取整整是是-1，由由于于所以以将将实实际际值值x=-0.8离散散化化为为NS一般般情情况况下下，，如如果果x的实实际际取取值值范范围围是是连连续续值值，，且且x∈∈[a,b]，要要将将其其转转换换成成[-n,n]区间间的的离离散散值值y，则则转转换换公公式式为为y=2n[x-(a+b)/2]/(b-a)6.3模糊糊控控制制对于于离离散散化化不不不不对对称称的的情情况况，，如如[-n,m]，转转换换公公式式为为y=(m+n)[x-(a+b)/2]/(b-a)•模糊糊控控制制规规则则模糊糊控控制制规规则则是是由由一一系系列列if-then形式式的的模模糊糊条条件件语语句句所所构构成成，，条条件件句句中中的的前前件件为为系系统统的的输输入入或或状状态态，，后后件件是是控控制制量量。。•推理理机机制制模糊糊推推理理是是指指采采用用某某推推理理方方法法，，由由采采样样时时刻刻的的输输入入和和模模糊糊控控制制规规则则导导出出模模糊糊控控制制器器控控制制量量的的输输出出。。常常用用的的推推理理方方法法有有：：6.3模糊控制1.Mamdani模糊推理算算法；2.Larsen模糊推理算算法；3.Takagi-Sugeno模糊推理算算法；4.Tsukamoto模糊推理算算法；5.简单模糊推推理算法。。6.3模糊控制前面我们提提到，对多多输入多输输出（MIMO）模糊控制制器，其规规则库均可可以看成是是多个独立立的多输入入单输出系系统。因而而，在此只只考虑MISO系统。不失失一般性，，考虑两个个输入――一个输出的的模糊控制制器。设已已建立的模模糊控制规规则为6.3模糊控制R1：如果x是A1andy是B1，则z是C1R2：如果x是A2an