电动汽车的驱动系统控制

电动汽车的驱动系统控制扬州大学机械学院蒋铮校正人：郝飞演讲人：耿龙伟导师：秦永法副教授内容摘要一、电动汽车概述二、电动汽车构造布置及驱动方式三、电动汽车驱动系统控制技术电动汽车概述一、电动汽车概述1、燃油汽车面临的问题2、电动汽车国内外开展概略

燃油汽车面临的问题城市大气污染日趋严重据估计，美国大气污染物中42％来自汽车排放，呵斥损失每年达2290亿美圆。在中国华东、华北的大城市大气中,70%的污染物来自汽车排放;CO88%,NOx80%,HC90%来自汽车排放，大气污染呵斥的损失每年达500亿美圆，全球污染最严重的20个城市中，10个在中国。石油资源面临枯竭要挟石油资源有限,不可再生,按目前探明的储量和开采的速度还能用40~50年。电动汽车国内外开展概略美、德、日、法这几个全球汽车工业兴隆的国家，到目前为止都已分别研制出各类的电动汽车，其中包括大客车、轻型客车、轿车和电动摩托车。美国是世界上对污染限制最严厉的国家，目前在电动汽车研制方面，美国处于领先位置。美国采取政府干涉，以能源部为中心在1989~1992年投入1亿多美圆，对电动汽车进展了大量的研讨和开发，1995年有1万辆电动汽车投入运用；德国早在1972年就以“电动道路交通协会〞为中心，在联邦政府的支持下开展电动汽车的开发实验任务，目前已制造出几百辆电动汽车投入运用；日本于1972年成立“日本电动汽车协会〞，日本政府制定了鼓励电动汽车开发与运用的政策，1978年，为了促进电动汽车的推行运用，日本电动汽车协会制定了“电动汽车试用制度“，每年向运用者提供运用费。试用的电动汽车主要用于公司、政府下属机构、公园的事物联络车、效力车等，试用地域遍及日本各地；法国很早就在城市环卫部门试用电动汽车，目前巴黎已有数百辆电动汽车在运转，全法国那么有上千辆电动汽车在试运转，法国环境能源厅对电池的研讨开发及电动汽车的实验给予了资助，地方政府对购买电动汽车的用户提供一定数量的保证金，以鼓励电动汽车的推行。除汽车工业兴隆国家外，其他国家也非常注重电动汽车的开发，并获得了相应效果，加拿大、奥地利、瑞典、韩国等国都投入巨资研制新一代电动汽车，以期处理能源和城市环境情况。上世纪80年代初，我国就开展了电动汽车研讨，曾被列入国家八五规划。目前，我国政府也极为关注开发电动汽车的各项关键技术，并以产业化为最终目的，先后将电动汽车列入“九五〞攻关艰苦工程以及“863〞艰苦专项。值得指出的是，我国的电动汽车技术与其他国家相比较，差距不甚明显，有些技术还有优势，如在运用于电动汽车的多种类型的驱动电机及其控制技术方面即有某些特定优势。电动汽车构造布置及驱动方式二、电动汽车构造布置及驱动方式1、电动汽车根本构造2、电驱动的构造方式3、单电动机和多电动机驱动方式4、轮毂电动机驱动方式

电动汽车根本构造1.电动汽车根本构造电动汽车系统三大子系统：电力驱动子系统、主能源子系统和辅助控制子系统典型电动车的根本构造双线表示机械衔接，粗实线表示电气衔接，细实线表示控制信号衔接，箭头表示电功率和控制信号流动的方向电动汽车根本构造电力驱动子系统：由电控单元、功率转换器、电动机、机械传动安装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应等功能根据从制动踏板和加速踏板输入的信号，电子控制器发出相应的控制指令来控制功率转换器的功率安装的通断，功率转换器的功能是调理电动机和电源之间的功率流。当电动汽车制动时，再生制动的动能被电源吸收i，此时功率流的方向要反向。能量管理系统和电控系一致同控制再生制动及其能量的回收，能量管理系统和充电器一同控制充电并监测电源的运用情况。辅助动力供应系统供应电动汽车辅助系统不同等级电压并提供必要的动力，它主要给动力转向、空调、制动及其它辅助安装提供动力。除了从制动踏板和加速踏板给电动汽车输入信号外，转向盘输入也是一个很重要的输入信号，动力转向系统根据转向盘的角位置来决议汽车灵敏地转向。电驱动的构造方式2.电驱动的构造方式采用不同的电力驱动系统可构成不同构造方式的电动汽车。根据电力驱动系统的不同，电动汽车分为以下六种情况C-离合器；D-差速器；FC-固定器；CB-变速器；M-电动机电驱动的构造方式电驱动的构造方式〔a)由发动机前置前轮驱动的燃油车开展而来，他由电动机、离合器、齿轮箱和差速器组成，离合器用来切断或接通电动机到车轮之间传送动力的机械安装，变速器是一套具有不同速比的齿轮机构，驾驶员可选择不同的变速比，把力矩传给车轮。在低速挡时，车轮获得大力矩低转速；在高速挡时，车轮获得小力矩高转速。汽车在转弯时，内侧车轮的转弯半径小，外侧车轮的转弯半径大，差速器使内外车轮以不同转速行驶。电驱动的构造方式〔b)由电动机、固定速比的减速器和差速器组成电力驱动系统。这种构造的电动汽车由于没有离合器和可选的变速挡位，不能提供理想的转矩/转速特性，因此不适宜于运用发动机的燃油汽车。电驱动的构造方式(c)这种构造与发动机横向前置、前轮驱动的燃油汽车的布置方式类似，它把电动机、固定速比减速器和差速器集成为一个集体，两根半轴衔接驱动车轮，这种构造在小型电动汽车上运用最普遍。电驱动的构造方式〔d〕图示的电动机构培育是采用两个电动机经过固定速比的减速器分别驱动两个车轮，每个电动机的转速可以独立地调理控制，便于实现电子差速，因此，电动汽车不用选用机械差速器。电驱动的构造方式〔e〕电动机也可以装在车轮里面，称为轮毂电动机，可进一步缩短从电动机到驱动轮的传送途径，为了将电动机转速降低到理想的车轮转速，可采用固定减速比的行星齿轮变速器，它能提供大的减速比，而且输入和输出轴可布置在同一条轴线上。电驱动的构造方式〔f〕与超大容量电容器类似，飞轮是另外一种新兴的具有高比功率和高效制动能量回收才干的储能器。用于电动汽车的飞轮与传统低速笨重的飞轮是不同的，这种飞轮质量轻，且在真空下高速动转，超高速飞轮与具有两种任务方式〔电动机和发电机〕的电动机转子相结合，可以将电能和机械能进展双向转换。以下图显示了这种飞轮和蓄电池作混合动力的构造，所选用的蓄电池应能提供高比能量。飞轮最好与无刷交流电动机结合运用，由于这种电动机的效率比直流电动机高，因此在蓄电池和飞轮之间加一个AC-DC转换器。单电动机和多电动机驱动方式3.单电动机和多电动机驱动方式差速器是传统车辆的规范组件，电动汽车也采用这项技术。汽车转弯时，外侧车轮的转弯半径比内侧车轮大，必需利用差速器来调整两侧车轮的转速，否那么，车轮会产生滑移从而引起轮胎磨损加剧、转向困难、道路附着性能变差等。对于传统的燃油汽车，无论是前轮驱动还是后轮驱动，机械式差速器都是必备的。以下图所示为典型的机械差速器的构造，差速器的行星齿轮绕各自的轴旋转，从而使两个半轴齿轮能以不同的转速旋转。单电动机和多电动机驱动方式对于电动汽车，假设采用双电动机或者四个电动机驱动，由于每个电动机的转速可以有效地独立调理控制，实现电子差速，在这种情况下，电动汽车可以不用机械差速器。以下图所示的是带电子差速器的双电动驱动的构造。电子差速器比接卸差速器体积小、质量轻。单电动机和多电动机驱动方式人们对能否选用机械差速器不像是对能否选择可变速比或固定变速比变速器的意见一致，假设电动汽车采用单电动机驱动就必需装机械差速器，而多电动机系统就采用电子差速。电子差速器的优点是体积小、质量轻，在汽车转弯时可以实现准确的电子控制，提高电动汽车的性能；其缺陷是由于添加了电动机和功率转换器，添加了初始本钱，而且在不同条件下对两个电动机进展准确控制的可靠性需求进一步的开展。轮毂电动机驱动方式4.轮毂电动机驱动方式假设将驱动电动机直接安装在车轮上，可以缩短甚至可以去掉电动机与车轮之间的机械传送安装，这取决于是采用高速内转子还是低速外转子电动机。假设采用高速内转子电动机，那么必需装固定速比的减速器来降低车速。普通采用高减速比的行星车轮减速安装，安装在电动机输出轴和车轮轮缘之间，这种电动机设计的任务转速约为1000r/min,目的是为了获得更高的功率密度。电动机的最高转速主要受线圈损失、摩擦损失以及变速机构的接受才干等要素的限制，所选用的行星齿轮变速机构的速比为10:1，而车轮的转速范围那么降为0~1000r/min。假设采用低速外转子电动机，那么可以完全去掉变速安装，外转子就安装在车轮轮缘上，而且电动机转速和车轮转速相等，因此就不需求减速安装。轮毂电动机驱动方式以下图所示这两种内置轮式电动机的构造，采用的都是永磁无刷电动机，由于其具有显著的高功率密度的特点，因此比其它电动机性能更高些。内转子电动机外转子电动机电动汽车驱动系统的构成电动汽车驱动系统包括机械传动系统和电气系统两部分。其中，机械传动部分因电动汽车驱动系统布置方式不同而不同。各种布置凡是之间最大的区别就在于对传统的机械传动部件保管的多少。越高级的布置方式，对传统燃油汽车的机械传动部件保管得就越少，而且更能发扬电动汽车的优势。不论电动汽车的驱动系统采用哪种布置方式，其电气系统的构造根本上都一样，主要由三个部分组成，如以下图所示电动汽车驱动系统控制技术电动汽车驱动系统控制技术电动器车与其它的电力驱动系统相比较，有其本身的特点。它对驱动系统相应有其特殊的要求：〔1〕可以频繁地起动、停车，加、减速，对转矩控制的动态性能要求高；〔2〕电动汽车驱动的速度、转矩变化范围大，既要任务在恒转矩区，又要运转在恒功率区，同时还要求坚持较高的运转效率;〔3〕能在恶劣任务环境下可靠地任务。正由于电动汽车对其电机驱动系统有这些特殊要求，所以在电动汽车电机驱动系统设计中，驱动电机的选择及其变流器、控制器的设计，都必需思索到这些特殊的要求。电动汽车驱动系统控制技术电动汽车电机驱动系统分类直流电机控制系统；无刷直流电机控制系统；异步电机控制系统；开关磁阻电机控制系统表1各种电机的特性比较

〔摘自日本电气学会技术报告〕电动汽车驱动系统控制技术电机性能直流电机永磁同步电机异步电机开关磁阻电机最大效率（％）85～8995～9794～95<90效率（10％负载）80～8790～9279～8578～86最高转速（rpm)4000~60004000~100009000~1500015000电机费用/kW($)1010~158~126~10控制器成本12.53.54.5坚固性良良优良信赖性普通良优良表2永磁同步电机与异步电机的特性比较电动汽车驱动系统控制技术永磁同步电机异步电机适性容量数十W～数十kW数百W以上尺寸、重量小☆中～小◎结构相当简单◎非常简单☆环境适应性相当好◎非常好☆维护有点必要△不要☆生产性好△非常好◎位置传感器要△不要◎速度传感器不要◎要△表3永磁同步电机与异步电机的特性比较电动汽车驱动系统控制技术永磁同步电机异步电机寿命轴寿命轴寿命弱磁高速困难△可能◎回馈制动容易◎可以△永久失磁有△无◎温度特性无◎有△控制器控制一台△控制多台◎电动汽车驱动系统控制技术直流电机及其控制系统直流电机的构造和原理〔并联〕特点：1、励磁电流和电枢电流可分别控制，转矩控制性能好。2、控制简单。

IfMnIf

电动汽车驱动系统控制技术直流电机及其控制系统的优缺陷优点：1.直流电机转矩控制性能优良。2.控制简单，回馈控制容易。3.功率变换器构造简单，运用功率器件少。4.控制器效率高；功率密度高。5.控制器体积小，分量轻。6.控制器价钱廉价。缺陷：1.由于机械换向器和电刷的存在导致的缺陷：电机转速低、体积大；需求维护；本钱高。电动汽车驱动系统控制技术交流电机1.同步电机2.异步电机〔感应电机〕转子永磁转子励磁永磁同步电机(自控式〕无刷直流电机转子绕线式转子笼型1.交流电机的主要类型交流电机及其控制系统电动汽车驱动系统控制技术交流电机控制器控制电路主电路电动汽车驱动系统控制技术电动机控制器电动汽车驱动系统控制技术控制器中的CPU主控制板电动汽车驱动系统控制技术交流电机的定子构造三相电枢绕组电动汽车驱动系统控制技术无刷直流电机控制系统转子位置传感器

三相功率变换器控制电路无刷直流电机控制器1.系统构成电动汽车驱动系统控制技术2.无刷直流电机与永磁同步电机差别ωt2π0B0(e0)永磁同步电机无刷直流电机一对极下不同的气隙磁密分布图电动汽车驱动系统控制技术3.无刷直流电机任务原理有6个定子空间磁势。根据转子位置传感器检测到的转子位置和要求转向来决议产生哪一个磁势。产生的平均转矩最大。iAABiBCiCSNFABFACFBCFBAFCAFCBXYZF0电动汽车驱动系统控制技术定子磁势拉转子磁势旋转，为了使平均转矩最大。两者的平均空间电角度为900。SNF0nFABFAC60o60o电动汽车驱动系统控制技术4.无刷直流电机控制框图-A+÷2∑iaibiciaibicIREFPIPWM逻辑变换PS+A+B+C-B-CIFPositionSensor三相反响电流输出6路驱动信号电动汽车驱动系统控制技术电动形状：＋A管导通，－B管PWM。－B管导通时电流上升，－B管关断时电流下降。Ud++A-AC+B-B+C-C转子位置传感器形状：+A、－B相导通。回馈形状：转子位置传感器形状：+A、－B相导通。+A管、－B管均关断，＋B管子PWM。Ud++A-AC+B-B+C-C电流产生拖动转矩电流产生制动转矩电动汽车驱动系统控制技术5.无刷直流电机的电动、回馈制动控制逻辑控制PS逻辑变换PWM输入+a-a+b-b+c-c转子位置传感器+++A-A+B-B++C-C驱动信号输出电动“1〞回馈制动“0〞电动汽车驱动系统控制技术6.无刷直流电机及其控制系统的优缺陷优点：1.具有直流电机的控制特性。2.控制相对简单。3.电机效率高，体积小。缺陷：1.由于永磁资料贵，电机价钱较贵。2.过热容易导致永久性失磁。3.弱磁运转较困难。4.需求转子位置传感器。电动汽车驱动系统控制技术异步电机及其控制系统1.异步电机变频调速原理转子绕组中的电压、电流靠感应产生。正常运转时，电机转速接近旋转磁场转速。0

AB不同频率下的异步电机机械特性电动汽车驱动系统控制技术2.变频调速的主要控制方法基于稳态的控制变压变频控制〔VariableVoltageVariableFrequency)简称VVVF控制；脉宽调理控制〔PulseWidthModulation)简称PWM控制。1.SPWM;2.电压空间矢量PWM；3.优化PWM;4.随机PWM;电动汽车驱动系统控制技术基于动态的控制：高性能的控制方法转子磁场定向矢量控制〔等效直流电机控制〕〔20世纪70年代，由德国西门子公司的F.Blaschke提出。〕1.直接矢量控制；2.间接矢量控制。直接转矩控制直接对转矩和磁链闭环控制。〔1985年德国学者M.Depenbrock初次提出。〕

电动汽车驱动系统控制技术3.异步电机滑差频率控制框图ωs*ωr*PIFG+ωrωs*ωr++ω1I1*cosω1tcos(ω1t-120o)cos(ω1t-240o)乘法器ia*iaib*icic*ib+PIPWMPIPWMPIPWM三角波驱动信号产生a-ab-bc-cI1

=f(ωs)++根本原理：在机械特性的线性段，电磁转矩正比于滑差频率。函数发生器电动汽车驱动系统控制技术4.异步电机矢量控制矢量控制原理经3/2变化、旋转变换后，异步电机变成了直流电机模型。将M-T坐标的M轴定在异步电机转子磁链的方向上，可得到最简单的方程方式。TMψ2++++

I1TI1MI2TI2Mω1(a)直流电机模型ψ2I1MI1TI2TI1βF0F2F1(b)电流、磁势向量图电动汽车驱动系统控制技术等效直流机模型的方程转子磁链方程转子电压方程稳态时所以电动汽车驱动系统控制技术矢量控制思绪转矩控制如何实现？和和和其中最终控制定子磁场的幅值与空间位置来实现。电动汽车驱动系统控制技术磁链观测算法转速检测驱动电路三相逆变器IM蓄电池PG电容3/2变换转矩计算Isyqrw控制算法(PI,空间电压矢量计算等)转矩和磁链设定算法*1ti*ryry1ti1mi1mi1tiTrwIs*Va*Vbrw给定异步电机直接矢量控制框图电动汽车驱动系统控制技术转子磁链准确定向方法控制框图uua,b,cia,b,cn转子磁链观测R

坐标变换iq*iq+-PIUq*id*id+-PIUd*坐标变换ua,b,cu*+PI-+--电动汽车驱动系统控制技术转子磁链准确定向方法观测磁链领先实践磁链时dqi1R0idid实践励磁分量id要比观测值id小。实践电压小于观测电压。观测磁链落后实践磁链时dqi1R0ididid大于id实践电压大于观测电压。电动汽车驱动系统控制技术5.异步电机直接转矩控制控制原理：经过检测电机定子电压、电流，借助瞬时空间矢量实际来计算电机的磁链和转矩。给定的磁链和转矩分别与计算值比较，对差值进展滞环调理〔也称砰砰控制〕。再根据定子磁链的空间位置、磁链与转矩的调节结果，来确定逆变器的开关信号。电动汽车驱动系统控制技术直接转矩控制框图电动汽车驱动系统控制技术由上图可知，直接转矩控制系统的根本组成主要有以下几个部分:(l)磁链自控制:它的义务是选择正确的区段，以构成六边形磁链。(2)转矩调理:转矩调理环节实现转矩直接自控制。(3)磁链调理:磁链调理环节实现对磁链幅值的直接自控制。由于定子电阻压降增大时会引起磁幅值减少。引入该环节，是为了实现对磁链幅值的闭环控制，维持外在允许的范围内动摇。(4)开关信号选择:开关信号选择单元综合来自磁链自控制环节、转矩调理环节和磁链调理环节的三个开关控制信号，构成正确的电压开关信号，以实现对电压空间矢量的正确选择。(5)开关频率调理:该环节控制逆变器的开关频率及转矩容差的大小。(6)异步电动机数学模型:异步电动机的数学模型包括磁链模型和转矩模型。其中磁链模型可以选用低速时i一n模型和高速时u一i模型相结合的方案，也可以选用在全速度范围内采用u一n模型的方案。直接转矩控制经过转矩两点式调理器直接调理转矩。转矩两点式调理器将转矩检测值和转矩设定值进展比较，将转矩动摇控制在一定容差范围内，即在直接转矩控制下，电动机的输出转矩总是围绕转矩设