电力助推系统概述

电力助推系统ElectricPropulsionSystems电力助推系统概述第1页电力推进系统是电动汽车和混合动力汽车心脏。它由电动机、功率转换器和电子控制器三部分组成。电动机将电能转换成机械能驱动车辆功率转换器用于给电机提供适当电压和电流。电子控制器依据司机命令经过提供控制信号来控制功率转换器，进而控制电机产生适当转矩和速度。电力助推系统电力助推系统概述第2页电力推进系统功效框图电力助推系统概述第3页电机分类电力助推系统概述第4页电动汽车和混合动力电动汽车电机驱动可分为两大类，即有换向器电动机和无换向器电动机。换向器电动机主要是传统直流电机，包含串励、并励、复励，场励以及永磁励磁电机。直流电机优点：技术成熟、控制简单直流电机缺点：在高速旋转下运行不太可靠、维护不便。功率密度较低。无换向器直流电机优势包含：更高效率，更高功率密度，低运行成本、更可靠和更方便维护；电机分类电力助推系统概述第5页直流电机驱动已被广泛应用于需要调速场所；良好速度可调性；以及频繁起动、制动和换向。因为技术成熟，控制简单，各种直流电机驱动器已被广泛应用于不一样电力牵引当中。6.1直流电机驱动电力助推系统概述第6页6.1.1直流电机运行原理与性能当电线被弯成一个线圈，如图6.3所表示，作用在两边磁力就产生扭矩，这能够表示为电力助推系统概述第7页Ra是电枢电阻。对于他励和并励直流电动机，Ra等于电枢绕组；对于串励和复励电机，Ra等于电枢绕组和串励绕组电阻之和。直流电动机基本方程为：直流电动机基本方程电力助推系统概述第8页直流电动机电枢稳态等效电路从公式6.3和6.4中推得：方程6.3到6.5是适合用于全部直流电动机电力助推系统概述第9页直流电机转矩速度特征他励电机中，若磁场电压不变，则磁通恒定。他励电机适应于需要良好速度调整和恰当转速场所。在串励电机当中，磁通是电枢电流函数。串励直流电机适合用于需要高起动转矩和重转矩过载场所。复励直流电动机性能介乎于串励和他励或并励电机之间。电力助推系统概述第10页最理想速度转矩特征是在基准速度以下拥有恒定转矩，在基准速度以上拥有恒定功率。在低于基准速度时，电枢电流和磁场被设置在额定值，产生额定转矩。在等于基准速度时，电枢电压到达其额定值（等于电源电压），不能深入增加。为了深入提升速度，磁场就必须随速度增加而减弱，然后保持反电动势和电枢电流恒定。转矩伴随转速增加而下降，输出功率保持不变。

6.1.2电枢电压与磁场联合控制

电力助推系统概述第11页电枢电压与磁场联合控制电力助推系统概述第12页6.1.3直流电机斩波控制电力助推系统概述第13页负载电压Va直接分量或平均值以下式所表示：经过控制δ，负载电压能够从0到V之间改变，所以斩波器允许从一个固定电压直流电源中取得一个可变直流电压。能够按各种不一样方式控制占空比δ来控制开关s，控制技术能够分为两类：1。时间比率控制（TRC）。2。电流限制控制（CLC）。

直流电机斩波控制

电力助推系统概述第14页时间比率控制中，也称为脉宽控制，控制是斩波器工作时间。TRC可深入划分以下：1.恒频TRC：周期T固定，改变开关通断控制占空比δ2.变频TRC：经过保持ton恒定而改变T，或者同时改变ton和T来改变δ。

时间比率控制（TRC）

电力助推系统概述第15页在恒导通时间ton变频控制中，在低斩波频率频率下取得低输出电压。低斩波频率反过来影响电机性能。另外，变频斩波使输入滤波器设计变得非常困难。所以，变频控制是极少用。电流限制控制CLC，也被称为逐点控制，经过把负载电流控制到指定最大值和最小值之间来间接控制δ。当负载电流到达指定最大值时，开关断开负载。当电流到达指定最小值时，开关重新连接上负载。对于直流电动机负载，这种类型控制，既是一个频率可变又是导通时间可变控制。电流限制控制（CLC）电力助推系统概述第16页升压斩波电路电力助推系统概述第17页假设电容C很大，大到足以在负载上维持一个恒定电压Va。在终端A和B上平均电压为：电感平均电压为：电源电压：把方程6.9和6.10代入到6.11得出：升压斩波电路电力助推系统概述第18页电机在四象限上运行电力助推系统概述第19页无换向器电动机比起传统直流电动机含有许多优点。当前，感应电机在无换向器电动机中是技术较为成熟一个电机。与直流电机相比，交流感应电机含有以下优点，如重量轻，体积小，成本低，效率高。这些特点在电动汽车和混合动力汽车应用上显得非常主要。感应电机驱动电力助推系统概述第20页鼠笼式感应电机感应电机有两种类型，即绕线式和鼠笼式电机。绕线式感应电机因为成本高，需要维修，不够坚固，所以它不如鼠笼式电机应用范围广。电力助推系统概述第21页感应电机运行原理电机每相通正弦交流电，频率为ω，每两相电之间有120◦相位差。电流Ias、Ibs和Ics在三定子线圈a—a’，b—b’和c—c’产生交变磁动势（mmfs）、Fas、Fbs、和Fcs。所以，总磁动势Fss等于相磁动势矢量之和。电力助推系统概述第22页每相磁动势表示式为：定子总磁动势为：感应电机运行原理

电力助推系统概述第23页旋转定子磁动势和转子导体相互反应，在转子中感应出电压以及电流。反过来，旋转磁动势在转子上产生转矩，转子上承载感应电流。很显著，转子中感应电流对于转矩产生是必不可少，反过来，感应电流取决于相对定子磁动势和转子之间相对运动。这就是为何旋转定子磁动势角速度与转子角速度之间要有个差值。

感应电机运行原理

电力助推系统概述第24页ω为定子磁动势旋转角速度，它指是电角速度，ωms为机械角速度ωm为转子角速度，转差率为：ωr是转子感应电压频率

感应电机运行原理

电力助推系统概述第25页转差率与转矩之间关系缺点：开启转矩低、速度范围小、在S>Sm时稳定性差电力助推系统概述第26页

感应电机控制感应电动机数学模型含有高度非线性和强耦合性，控制起来比较复杂。当前感应电动机调速控制主要有两种方法：一是恒压频比调速控制。二是采取矢量控制。变频调速控制方法控制器结构简单，成本低，但控制精度低，动态性能差；矢量控制方法控制器结构复杂，成本高，但控制精度高，转速控制范围宽，动态性能好，应用最普及。

电力助推系统概述第27页在低转差率范围内，气隙磁链能够经过下式给出：在额定频率以下，假如电压一定而只降低频率，那么气隙磁通就要过大，造成磁路饱和，严重时烧毁电动机。所以为了保持气隙磁通不变，就要求在降低供电频率同时降低输出电压，保持V/f=常数，这种控制方式为恒压频比控制方式。

恒压频比（V/f）控制

电力助推系统概述第28页感应电机稳态性能电力助推系统概述第29页额定励磁电流：转子电流：转子输出转矩：最大转矩时转差率：最大转矩：电力助推系统概述第30页公式6.38表明，伴随E/ω恒定，最大转矩为一恒定值。公式6.37表明，Smω不变，即转差ωsl不变。在实践中，因为有定子阻抗和电压降，电压应略高。当电机转速超出其额定转速时，电压到达额定值，不能再随频率增加。在这种情况下，保持电压固定，频率随电机转速继续增加，电机进入弱磁运行状态。转差率S被固定到其额定频率对应额定值，转差ωsl随电机速度线性增加。电力助推系统概述第31页T、V、Pm与电机转速关系图电力助推系统概述第32页纯电动汽车或混合动力汽车电源大部分是直流电源，就需要在给感应电机供电时先进行DC/AC转换。这一过程叫做逆变过程。逆变器主要由电力电子开关和电力二极管组成。

6.2.4电力电子控制

电力助推系统概述第33页6.2.4电力电子控制电力助推系统概述第34页电力助推系统概述第35页电机端电压基波分量频率跟参考正弦电压频率是相同。所以，能够经过改变参考电压频率来改变电机电压。参考波振幅与三角载波振幅比值叫做调整指数m。各相电压基波分量为电力助推系统概述第36页感应电机恒V/f控制适合用于相对低速调整场所。缺点：对于快速、频繁速度调整场所响应慢，而且因为功率因数低，造成运行效率差。恒压频控制是建立在感应电机稳态数学模型上，其被控量（如定子电压与定子电流）是幅值上标量控制，忽略了相位控制，造成电磁转矩未能得到实时、准确控制，动态调速性能差。FOC成功处理了交流电动机转子励磁分量与转矩分量耦合问题，从而实现了电磁转矩实时高性能控制，大大提升了交流电动机变压变频调速系统动态调速性能。6.2.5磁场定向控制电力助推系统概述第37页想要控制电机转矩，就要控制转子磁链标量值及其空间幅角。能够经过控制各相电流幅值大小来到达控制目标，而各相电流在空间上幅角，能够经过控制各相电流瞬时相位值来实现。所以，对感应电机定子各相电流瞬时控制，就能实现对感应电机转矩有效控制。可见，对电动机电磁转矩控制本质上就是一个矢量控制矢量控制基本思想电力助推系统概述第38页6.2.5.1磁场导向原理电力助推系统概述第39页利用高能永磁材料作为励磁体、永磁电机能够被设计含有高功率密度，高速，以及高运行效率。这些突出优点使得永磁电机在电动汽车和混合动力汽车中应用中含有相当吸引力。在永磁电机一族中，无刷直流电机在电动汽车和混合动力汽车应用中是最有潜力。6.3永磁无刷直流电机驱动电力助推系统概述第40页优点

效率高、结构紧凑、易于控制、易于冷却、维护成本，寿命长，可靠性高，噪声低缺点成本高、恒功率范围受限、安全性低、永磁体退磁、高速性能差、变换易失败

无刷直流电机优缺点电力助推系统概述第41页直流无刷电机驱动主要由无刷直流电机，基于数字信号处理器（DSP）控制器和基于电力电子器件功率转换器，如图6.42所表示。位置传感器H1，H2和H3检测电机转子位置。转子位置信息被反馈到基于数字信号处理器控制器中，控制器经过打开和关闭定子极绕组将门控信号提供给转换器。这么，就能够控制电机转矩和速度。6.3.1无刷直流电机基本原理电力助推系统概述第42页电力助推系统概述第43页表贴式和内嵌式电力助推系统概述第44页无刷直流电机定子绕组依据定子绕组产生反电势波形分为：梯形波绕组和正弦波绕组电力助推系统概述第45页速度—转矩性能在牵引和其它应用场所中是最主要。其它电机，转矩是由磁场和电流相互作用产生。无刷直流电机磁场由永磁体产生，电流取决于电源电压，反电动势由电机磁场和速度决定。为了在以取得某一负载下期望转矩和速度，就需要控制电枢电流。6.3.4无刷直流电机控制及性能分析电力助推系统概述第46页6.3.4.1性能分析电力助推系统概述第47页稳态性能分析电力助推系统概述第48页动态性能分析若保持转子转速恒定，Ls能够决定电枢电流对于电压响应速度；J决定速度对电压响应快慢电力助推系统概述第49页无刷直流电机转矩控制电力助推系统概述第50页

无刷直流电机速度控制

电力助推系统概述第51页结构简单、坚固耐用、成本低。它转子上没有永磁体或绕组。这种结构不但降低了电机成本，而且提升了电机高速运行能力。高速性能好。而不会因为高速运行时产生强大离心力造成机械故障。拓扑结构可靠。定子绕组被串联在逆变器上臂下臂开关上。这种拓扑结构能够预防感应和永磁电机逆变器产生击穿故障。效率高，速度范围宽和控制简单也是开关磁阻电机优点。6.4开关磁阻电机电力助推系统概述第52页电力助推系统概述第53页开关词组电机驱动系统框图逆变器和直流电源相连，电源能够经过一个二极管整流器或电池取得。开关磁阻电机相绕组和逆变器相连，控制器依据控制策略和反馈信号，向逆变器发送门选通信号。电力助推系统概述第54页SRM电机结构电力助推系统概述第55页开关磁阻电机工作原理当A相绕组电流控制开关S1、S2闭合时，A相励磁，所产生磁场力图使转子旋转到转子极轴线aa'与定子极轴线AA'重合位置，从而产生磁阻性质电磁转矩。次序给A—B—C—D相绕组通电(B、C、D各相绕组在图中未画出)，则转子便按逆时针方向连续转动起来；反之，依次给D—C—B—A相绕组通电，则转子会沿顺时针方向转动。在多相电机实际运行中，也常出现两相或两相以上绕组同时导通情况。当q相定子绕组轮番通电一次，转子转过一个转子极距。电力助推系统概述第56页

开关磁阻电机工作原理

电力助推系统概述第57页

开关磁阻电机工作原理

设每相绕组开关频率(主开关开关频率)为fPh，转子极数为Nr则SR电机同时转速(r／min)可表示为因为是磁阻性质电磁转矩，SR电机转向与相绕组电流方向无关，仅取决于相绕组通电次序．这使得能够充分简化功率变换器电路。当主开关S1、S2接通时，A相绕组从直流电源U吸收电能，而当S1、S2断开时，绕组电流经过续流二极管VD1、VD2将剩下能量回馈给电源U。电力助推系统概述第58页开关磁阻电机工作原理电力助推系统概述第59页电机转子从未对齐位置运动到对齐位置，相电感从最小值增加到最大值。假如相电感能够测量，相电感与转子位置之间函数关系是已知，那么转子位置能够依据测得相电感得到。1。基于相位磁链方法。2。基于相电感方法。3。调制信号注入法。4。基于互感电压方法。5。基于观察器方法。开关磁阻电机无位置传感器控制电力助推系统概述第60页相磁链伴随相电流和相位置改变曲线电力助推系统概述第61页此方法采取有源相相电压和相电流来预计转子位置。这种方法基本原理是使用相磁链、相电流和转子之间函数关系。假如相磁链和相电流是已知，就能够计算出转子位置。6.4.6.1基于相位磁链方法电力助推系统概述第62页6.4.6.2基于相电感方法依据图6.70，能够计算出相电感再依据计算相电感和测得相电流经过查表法可得到转子位置。电力助推系统概述第63页利用有源相相电流和相电压数据算出相增量电感，然后就能够计算出转子位置。增量电感由下式得出此方法不需要额外检测电路。不过，仅适合用于速度小于基准速度10%低速场所，这是因为在计算相位增量时忽略了反电动势。6.4.6.2.2基于相增量电感无传感器控制电力助推系统概述第64页6.4.6.3.1频率调制法6.4.6.3.2AM和PM法6.4.6.3.3基于诊疗脉冲法6.4.6.3调制信号注入法电力助推系统概述第65页方法一：采取L-F转换转换电路产生电压方波，用定时器计数测得电压方波频率。频率与空闲相瞬时电感成反比。方法二：用F-V转换电路，取得与电压方波频率成正比电压，然后对电压进行采样。进而得知电压方波频率优点：易于实现，含有很强鲁棒性。缺点：高速运行时因为励磁电流存在，限制了信号到SRM每一相传送。需要额外电路，增加了成本。对互耦非常敏感。调频法电力助推系统概述第66页PM和AM技术分别是基于相电流相位改变和振幅改变，电流和电压之间相位角随电感周期性改变而改变。假如电感很大，电流滞后于电压滞后角就很大，峰值电