电动汽车发展的趋势

电动汽车发展的趋势

0电动汽车的关键技术在国外，许多电动汽车已经投入使用。如:美国通用汽车公司开发的EV1电动轿车,克莱斯勒公司开发的Epic电动旅行车;日本本田公司的EVPlus轿车,日产(北美)公司开发的Altra6座电动旅行车;德国宝马公司的BMWEl新型电动汽车。在我国电动汽车研究已经列入国家“十五”863计划,成为重点项目。目前己有洛阳拖拉机研究所研制的LT510EC电动轿车,远望工业公司开发的远望YW6-120DD电动公共汽车等。但是尽管电动汽车得到不断的发展,但仍然有些关键技术亟待解决。如:(1)轻型、坚固、低空气动力阻力和低滚动阻力的底盘和车体技术;(2)高功率密度和高运行效率的电机驱动技术;(3)高功率密度、高能量密度和长寿命的蓄电池或其他的储能技术;(4)智能化的能量管理系统;(5)高效率、高可靠性电池充电系统和基础设施技术。本文就电动汽车的关键技术之一电动车用电机及电机驱动技术做一探讨。1电机驱动系统电动汽车包括混合电动汽车(HEV),纯电动汽车(EV),燃料电池汽车(FCEV),各电动汽车的典型结构分别如图1、图2、图3。尽管电力驱动系统在各种类型的电动汽车中的布置及结构稍有区别,但均包括以下几部分:电机驱动装置、机械传动装置和车轮,其中机械减速器有时可省略。不论电动汽车的驱动系统采用哪种布置方式,其电机驱动装置的结构基本上都相同,主要由三个部分组成:电动机、功率转换器和电子控制器,它是电动汽车驱动系统的核心。电动汽车使用的电机通常要求能够频繁地启动、停车;加速、减速。低速行驶或爬坡时要求电动机高转矩运行;高速行驶时要求电动机低转矩运行,变速范围要大。对电动汽车驱动电动机性能的要求有:(1)要有4～5倍的过载能力满足短时内加速行驶与最大爬坡度的要求;(2)最高转速应能达到基速的3～5倍;(3)要求电动机高功率密度和高效率,即在较宽的转速和转矩范围内都有较高的效率;(4)可控性高,稳态精度高,动态性能好且能够多机协调运行;(5)在较恶劣的环境中也能够正常工作;(6)制动再生效率高;(7)价格合理。2无整流器无刷电机目前电动汽车驱动电动机主要有:直流电动机(DC),感应电动机(IM),永磁电动机(BDCM和PMSM)和开关磁阻电动机(SRM)。由于直流电动机的转矩—速度特性符合牵引特性的要求,且速度控制比较简单而被率先用于电动汽车。但直流电动机有整流器,因而需要经常性的维护。目前,由于技术的发展,无整流器(无刷)电动机的发展进入一个新时期。与直流电动机相比,它具有效率高、功率密度高、生产成本低和免维护等优点。由于电动汽车首先考虑的是提高可靠性和降低生产成本,因而无整流器电动机开始引起人们的注意。无整流器电动机包括感应(异步)电动机、永磁同步电动机(无刷直流电动机)和开关磁阻电机等。作为无整流器电动机,感应电动机技术成熟、可靠性好、无需维护,因而被广泛应用于电动汽车上。此外,永磁电动机用永磁体产生磁场,因而能达到更高的效率和功率密度,所以永磁电动机在电动汽车的应用也在不断增长。2.1直流电机驱动系统在电动汽车直流电机的驱动特性如图4所示。从图中可以看出直流电机在基本转速Nb以下运行于恒转矩区,基本转速以上运行于恒功率区。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,而且直流电机结构简单,易于平滑调速,控制技术成熟,所以直到20世纪80年代中期,它仍是国内外的主要研发对象。几乎所有早期的电动车都采用直流电机驱动系统。但是直流电机的效率和转速相对较低,运行时需要电刷和机械换向装置,机械换向结构易产生电火花,不宜在多尘、潮湿、易燃易爆环境中使用,其换向器维护困难,很难向大容量、高速度发展。此外,电火花产生的电磁干扰,对高度电子化的电动汽车来说将是致命的。直流电机价格高、体积和重量大。随着控制理论和电力电子技术的发展,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。电动汽车直流电机驱动系统中的直流电机通常采用串励电机或他励电机。当电动汽车制动和减速时,一般采用再生制动。再生制动是利用直流电机可以从电动机运行状态平滑地转换到发电机运行状态这一特性。此时,电机转矩方向与转速方向相反,电机吸收机械能,把机械能转化为电能储存起来,可节省能量。直流电机的控制器采用的是斩波控制器(又称电压斩波器),它是直流电源和负载电机之间的一个周期性通断的开关控制装置,它的作用是通过改变供给直流电机的电压,来控制电机的转速和转矩。在调节电枢电压的直流调速系统中,为了获得可调的直流电压,也可利用电力电子元件的可控性能,采用脉宽调制技术,直接将恒定的直流电压调制成极性可变大小可调的直流电压,用于实现直流电动机电枢端电压的平滑调节,构成直流脉宽调速系统。其主电路采用脉宽调制式变换器,简称PWM变换器。脉宽调制器内一般使用全控电力晶体管作为可控电子元件。当其接通时,直流电流给电动机供电;当其断开时,电流被切断,电机的储能经二极管续流,电枢两端电压接近为零。如果其按照某固定频率开闭而改变周期内的接通时间时,控制脉冲宽度相应改变,从而改变了电动机两端平均电压,达到调速的目的。一般的八位或十六位单片机就可满足控制要求。2.2电动汽车上双向感应电机变压器的控制法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。当电动汽车减速或制动时,电机处在发电制动状态,给电池充电,实现机械能到电能的转换。在电动汽车上,由功率半导体器件构成的PWM功率逆变器把蓄电池电源提供的直流电变换为频率和幅值都可以调节的交流电。三相感应电机逆变器的控制方法主要有V/f控制法、转差频率控制法、矢量控制法和直接转矩控制法(DTC)。其中,后两种控制方式目前处于主流的地位,这两种控制方法的原理如下所述。2.2.1异步电动机的制方式矢量控制实现的基本原理是通过测量和控制异步电动机定子电流矢量,根据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制,从而达到控制异步电动机转矩的目的。具体原理是将异步电动机的定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量(励磁电流)和产生转矩的电流分量(转矩电流)分别加以控制,并同时控制两分量间的幅值和相位,即控制定子电流矢量,所以称这种控制方式为矢量控制方式。矢量控制方式又有基于转差频率控制的矢量控制方式、无速度传感器矢量控制方式和有速度传感器的矢量控制方式等。如图5,为一种矢量控制异步电机的框图。基于转差频率控制的矢量控制方式同样是在进行U/f为恒定控制的基础上,通过检测异步电动机的实际速度n,并得到对应的控制频率f,然后根据希望得到的转矩,分别控制定子电流矢量及两个分量间的相位,对通用变频器的输出频率f进行控制的。基于转差频率控制的矢量控制方式的最大特点是,可以消除动态过程中转矩电流的波动,从而提高了通用变频器的动态性能。早期的矢量控制通用变频器基本上都是采用基于转差频率控制的矢量控制方式。无速度传感器的矢量控制方式是基于磁场定向控制理论发展而来的。它的基本控制思想是根据输入的电动机的铭牌参数,按照转矩计算公式分别对作为基本控制量的励磁电流(或者磁通)和转矩电流进行检测,并通过控制电动机定子绕组上的电压的频率使励磁电流(或者磁通)和转矩电流的指令值和检测值达到一致,并输出转矩,从而实现矢量控制。采用矢量控制方式的通用变频器不仅可在调速范围上与直流电动机相匹配,而且可以控制异步电动机产生的转矩。由于矢量控制方式所依据的是准确的被控异步电动机的参数,有的通用变频器在使用时需要准确地输入异步电动机的参数,有的通用变频器需要使用速度传感器和编码器,并需使用厂商指定的变频器专用电动机进行控制,否则难以达到理想的控制效果。目前新型矢量控制通用变频器中己经具备异步电动机参数自动检测、自动辨识、自适应功能,带有这种功能的通用变频器在驱动异步电动机进行正常运转之前可以自动地对异步电动机的参数进行辨识,并根据辨识结果调整控制算法中的有关参数,从而对普通的异步电动机进行有效的矢量控制。除了上述的无传感器矢量控制、转矩矢量控制和可提高异步电动机转矩控制性能的技术外,目前的新技术还包括异步电动机控制常数的调节及与机械系统匹配的适应性控制等。为了防止异步电动机转速偏差以及在低速区域获得较理想的平滑转速,应用大规模集成电路并采用专用数字式自动电压调整(AVR)控制技术的控制方式,己实用化并取得良好的效果。2.2.2异步电动机的数学模型直接转矩控制以转矩为中心来进行磁链、转矩的综合控制。和矢量控制不同,直接转矩控制不采用解耦的方式,从而在算法上不存在旋转坐标变换,简单地通过检测电机定子电压和电流,借助瞬时空间矢量理论计算电机的磁链和转矩,并根据与给定值比较所得差值,实现磁链和转矩的直接控制。如图6所示,为一种直接转矩控制异步电机的框图。由于它省掉了矢量变换方式的坐标变换与计算和为解耦而简化异步电动机数学模型,没有通常的PWM脉宽调制信号发生器,所以它的控制结构简单、控制信号处理的物理概念明确、系统的转矩响应迅速且无超调,是一种具有高静、动态性能的交流调速控制方式。美国研制的GMEV1电动车采用交流异步电机,最高车速130km/h,IGBT逆变器,一次充电行程110km(市区);美国福特公司研制的Ranger电动车采用交流异步电机,最高车速120km/h,IGBT逆变器,一次充电行程95km(市区)。2.3永磁无刷电机永磁无刷电机包括永磁无刷直流电机(BLDCM)和永磁无刷同步电机(PMSM)两种,在汽车上应用较多的是永磁无刷同步电机。永磁无刷同步电机的驱动特性如图7所示。从图中可看出永磁无刷同步电机的恒转矩区比较长,一直延伸到电机最高转速的50%处左右,这对提高汽车的低速动力性能有很大帮助,电机最高转速较高,能达到10000rpm。永磁无刷同步电机功率密度高、调速性能好、在宽转速范围内运行效率高(90%～95%),是理想的电动车驱动电机之一。它的主要缺点是电机造价较高,永磁材料会有退磁效应,抗腐蚀性差,而且永磁材料磁场不可变,要想增大电机的功率其体积会很大。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。1998年北京理工大学研制的125kW的大功率永磁直流电机动力驱动系统,运行良好。2.3.1永磁无刷直流电机永磁无刷直流电机是在直流电机的转子上装置永久磁铁,不再用电刷和换向器为转子输入励磁电流,工作时,直接将方波电流输入无刷直流电机的定子中,控制其运转。永磁无刷直流电机起动转矩大、过载能力强、体积小、效率高、控制方便,非常适合电动车的运行特性。永磁无刷直流电机常采用电流斩波控制,控制系统由桥式变换器、PWM控制电路、电机转轴位置检测器和方波永磁直流电机等几部分组成。香港大学研制的U2001电动车采用的永磁无刷直流电机,最高车速为110km/h,IGBT逆变器,一次充电行程176km(88km/h)。本田研制EVPLUS电动车采用的永磁无刷直流电机,最高车速为128km/h,IGBT逆变器,一次充电行程125km。2.3.2磁链定向控制永磁同步电机是指正弦波永磁电机,转子上装有永久磁体,一方面,可形成很强的气隙磁场,另一方面转子部分没有热源,不需要冷却装置。此电机有较高的能量密度,惯性低,响应快,适用于电动车辆驱动系统,有极好的应用前景。永磁同步电机低速时常采用矢量控制,包括气隙磁场定向、转子磁链定向、定子磁链定向。其中电动车用中小容量电机常用转子磁链定向控制,高速时用弱磁控制。转子磁链定向的矢量控制是感应电机转子磁链定向控制的推广。根据控制目标的不同,矢量控制又可以有零直轴电流控制、功率因数为1的控制、恒磁链控制、最大转矩电流比控制、最大输出功率控制等。由于永磁同步电机的转子励磁磁场由永磁体产生,不能象异步电机一样直接减弱转子磁场,所以弱磁控制便成了永磁同步电机的研究热点。其弱磁控制原理是通过增加定子直轴电流,利用直轴电枢反应使电机气隙磁场减弱,达到等效于减弱磁场的效果,从而达到弱磁增速的目的。针对这一基本思想,学者们提出了众多方案用于改善永磁同步电机的弱磁控制性能。Bimal.K.Bose提出六步电压法通过改变电机功角来达到改变转矩的目的,该方案对于电机参数的依赖性小,且可实现对直流母线电压的最大利用。为了解决电机从恒转矩工况到弱磁工况的切换问题,ThomsM.J提出了前馈弱磁方案。J.M.Kim提出了电流解耦控制和给定电压补偿的方法改善电机弱磁运行性能。例如丰田Prius采用的永磁同步电机,最大功率为50kW,最高转速为11000r/min,最大转矩为115N·m/4200rpm,最高车速180km/h,0～100km/h加速时间为10.9s;福特EscapeHybrid采用的永磁同步电机,最大功率为70kW,最大转矩为175N·m/4500rpm;本田FCX燃料电池概念车采用的永磁同步电机,最大功率为80kW,最大转矩为2725N·m,最高车速150km/h。2.4开关磁阻电机转速控制电路开关磁阻电机(SRM)是英国于1983年首次正式推出的,经过几年的研制开发,现己成为现代电动汽车交流驱动的又一个新支,它是由磁阻电机和开关电路控制器组成的机电一体化新型牵引电机。它具有可控相数多、实现四象限控制方便、成本低、效率高等优点。开关磁阻电机转子上无绕组,适合用于频繁正反转及冲击的负载。功率电路采用的功率开关元件较少,电路较简单。功率元件与电机绕组串联,不易发生短路,因此成本较低,工作可靠,控制电路较简单,能够实现宽调速、低速大转矩和制动能量反馈等特性。整个系统效率高,起动转矩大,电流小。由于开关磁阻电机具有高度的非线性,因此它的驱动系统较复杂。一个典型的开关磁阻电机调速系统(SwitchedReluctanceDriver简称SRD)如图8所示。它由SRM电机、功率变换器、控制器、位置检测器四大部分组成。2.4.1基于滑模控制的非线性模拟由于开关磁阻电机具有高度的非线性,多变量,变参数等,所以很难用常规的控制方法。如今应用较多的是神经网络,模糊控制,滑模控制等智能控制方法。如Elmas等基于BP算法建立了SRD三层前馈人工神经网络模型,网络的输入为磁链Ψ和转子位置角θ,输出为i,训练集通过实测电机的磁化曲线获得。Slotine和Pradeep等人利用滑模控制理论设计了非线性系统的观测器,该控制系统具有良好的鲁棒性,并具简单,可实用性高。德国Aachen工业大学开发了一套电动汽车用四相(8/6)30kW水冷开关磁阻电机驱动装置,最大功率为50kW,最高转速为11000r/min,最大转矩为80N·m,系统效率为91.6%,IGBT逆变器,直流输人电压为215～350V。3气驱动系统的研究电动机的类型对电气驱动系统以及电动车整体性能影响非常大,评价电动车的电气驱动系统实质上主要就是对不同电动机及其控制方式进行比较和分析。目