《电动汽车的控制》课件

电动汽车的控制课程大纲电动汽车的基本结构了解电动汽车的组成部分，包括电机、电池、电控系统等。电机类型及控制深入探讨直流电机、交流电机、同步电机和异步电机的原理和控制方法。电池系统介绍电池的类型、特性、管理系统、充电过程以及选型应用等。电控系统分析电控系统的架构、中央控制器、分散式控制器、车载网络通信协议等。电动汽车的基本结构电动汽车的基本结构主要由以下几个部分组成：电机：提供动力，将电能转换为机械能。电池：储存能量，为电机提供电能。电控系统：控制电机和电池，管理车辆的能量流。传动系统：将电机的动力传递给车轮。车身：承载乘客和货物，并提供安全防护。底盘：支撑车身，并提供转向、制动、悬挂等功能。与传统燃油汽车相比，电动汽车的结构更为简洁，没有发动机、排气系统等部件，因此具有更高的效率和更低的排放。电机类型永磁同步电机(PMSM)PMSM具有高效率、高功率密度、体积小、重量轻等优点，非常适合电动汽车应用。异步感应电机(InductionMotor)异步电机具有结构简单、成本低、可靠性高、维护方便等优点，但也存在效率和功率密度相对较低的缺点。直流电机(DCMotor)直流电机在电动汽车应用中并不常见，主要用于一些特殊场合，如老款电动车或辅助系统。直流电机原理1电磁感应磁场变化产生感应电动势2电磁力电流在磁场中受到力的作用3电磁转矩电流和磁场相互作用产生转矩直流电机是电动汽车的核心部件之一，其工作原理基于电磁感应和电磁力的相互作用。直流电机的转动由电磁转矩驱动，转矩的大小取决于电流和磁场强度。当直流电机通电时，电流在磁场中受到力的作用，产生旋转的力矩，驱动电机转动。转速越高，电磁转矩越小，反之亦然。交流电机原理工作原理交流电机是利用电磁感应原理工作的。它通过绕组中的交流电流产生旋转磁场，磁场切割转子导体，从而产生感应电流，感应电流与磁场相互作用，产生电磁力矩，驱动转子旋转。类型交流电机主要分为同步电机和异步电机两种。同步电机是指转子与磁场同步旋转的电机，而异步电机是指转子与磁场不同步旋转的电机。应用交流电机在电动汽车中应用广泛，尤其是在高功率、高效率的应用场景中。它们可以提供高转矩和高速度，并且具有较高的效率和可靠性。同步电机1工作原理同步电机是一种转子速度与电源频率保持同步的电机。其转子绕组通电后，会产生磁场，与定子产生的旋转磁场同步旋转，从而驱动转子转动。同步电机的特点是效率高、转速稳定、功率因素可调，广泛应用于电动汽车、风力发电等领域。2分类同步电机主要分为两种类型：永磁同步电机(PMSM)和励磁同步电机(SM)。永磁同步电机使用永磁体作为转子磁场，而励磁同步电机则通过外部励磁绕组产生磁场。3应用在电动汽车中，永磁同步电机被广泛应用于驱动系统，因为其具有高效率、高功率密度和较高的转矩-速度特性等优点。异步电机结构异步电机是一种旋转电机，由定子和转子组成。定子包含绕组，当通电时会产生旋转磁场。转子由导体材料制成，没有绕组，在旋转磁场的作用下感应出电流，从而产生转矩并旋转。工作原理异步电机的工作原理基于电磁感应原理。当定子绕组通电时，产生旋转磁场，该磁场切割转子导体，在转子中感应出电流。感应电流与定子磁场相互作用，产生转矩，驱动转子旋转。转子的转速始终低于定子磁场的旋转速度，这就是异步电机得名的原因。电机参数及选型参数描述功率电机输出功率，决定车辆的加速性能和爬坡能力。转速电机转速，决定车辆的最大速度。扭矩电机输出扭矩，决定车辆的起步加速性能。效率电机能量转换效率，决定车辆的续航里程。重量电机重量，影响车辆的总重量和操控性能。体积电机体积，影响车辆的内部空间和设计布局。电动汽车电机选型需要综合考虑车辆的性能需求、成本、重量、体积等因素。不同类型的电机具有不同的性能特点，需要根据实际情况选择合适的电机。电机驱动系统1电机电机是电动汽车的动力来源，将电能转换为机械能，驱动车轮。它需要承受高功率输出和快速响应的要求。2控制器控制器负责控制电机的转速、转矩和方向，根据驾驶员的指令和车速信号调节电机输出功率。3逆变器逆变器将直流电转换为交流电，为电机提供所需的电流和电压。电池类型及特性锂离子电池锂离子电池以其高能量密度、长循环寿命和低自放电率而闻名，是目前电动汽车最常用的电池类型。它具有以下优点:高能量密度长循环寿命低自放电率工作温度范围广铅酸电池铅酸电池是一种成熟的电池类型，价格相对便宜，但能量密度较低，循环寿命有限，因此在电动汽车中应用较少。镍氢电池镍氢电池的能量密度高于铅酸电池，但低于锂离子电池，循环寿命也较长，在电动汽车中也有应用，但近年来使用量在减少。燃料电池燃料电池利用氢气和氧气反应产生电能，具有零排放的优点，但成本高，基础设施尚未成熟，目前主要用于特定应用场景。电池管理系统1监控电池状态电池电压、电流、温度等参数2控制电池充放电确保电池安全，延长电池寿命3平衡电池组使各个电池单元的电量保持一致电池管理系统（BMS）是电动汽车的核心组成部分，负责监控和管理电池组的运行状态，确保电池的安全性和可靠性。BMS通过传感器采集电池组的电压、电流、温度等参数，并进行实时监控和分析。根据电池的运行状态，BMS可以控制电池的充放电过程，以及平衡各个电池单元的电量，以确保电池组的稳定运行和延长其使用寿命。电池充放电过程1充电将电能从外部电源输送到电池中，使电池储能。2放电电池将储存在内部的电能以电能的形式释放出来，为电动汽车提供动力。3充放电循环电池在充电和放电之间反复转换，以实现能量的存储和释放。电池充放电过程涉及将化学能转化为电能或将电能转化为化学能。充电过程是将电能存储在电池的化学键中，而放电过程是释放这些化学键中的电能。充放电循环次数会影响电池的寿命。电池充电器充电方式交流充电直流快充充电过程恒流充电恒压充电涓流充电充电效率充电器效率影响充电时间和能量损耗安全保护过流、过压、过温等保护机制电池的选型及应用主要指标电池容量、放电倍率、循环寿命、能量密度、安全性能、成本等。应用场景根据电动汽车的类型、续航里程、性能要求等选择合适的电池类型。电控系统架构电动汽车的电控系统是整个车辆的核心，负责控制和管理电机、电池、充电、安全等各个子系统。电控系统架构主要分为两种类型：集中式和分布式。集中式电控系统：将所有控制功能集中在一个中央控制器中，由中央控制器负责协调各个子系统的运行。这种架构结构简单，成本低，但可扩展性较差，对中央控制器的可靠性要求较高。分布式电控系统：将控制功能分散到多个控制器中，每个控制器负责控制一个或多个子系统。这种架构可扩展性强，可靠性高，但系统复杂，成本较高。中央控制器1核心部件中央控制器是电动汽车的“大脑”，负责协调和管理整车所有系统的运行，包括电机、电池、充电、制动等。2功能强大中央控制器集成了多种控制算法和逻辑，能够实现各种功能，例如：动力控制、能量管理、驾驶模式选择、安全监控等。3可靠性高中央控制器采用高可靠性设计，能够在各种恶劣环境下稳定运行，确保车辆的安全性和可靠性。分散式控制器独立控制每个电机都有自己的控制器，负责控制其速度、转矩和位置等参数。这可以提高系统的可靠性，因为单个控制器的故障不会影响其他电机。电池管理分散式控制器可以独立管理各个电池组的充电和放电，从而优化电池的使用寿命并提高安全性。能量回收分散式控制器可以有效地管理能量回收过程，将制动能量转化为电能并储存在电池中，提高能量效率。车载网络通信协议CAN总线控制器局域网络(CAN)是一种串行通信协议，广泛应用于汽车行业。它允许不同的电子控制单元(ECU)通过一个共享的总线进行通信，从而实现车辆各个系统之间信息交换和协调控制。LIN总线本地互连网络(LIN)是一种低成本、低速度的串行通信协议，主要用于车辆非关键系统之间的通信，例如车窗、车门、仪表板等。FlexRay总线FlexRay是一种高速度、高可靠性的通信协议，主要用于车辆安全关键系统，例如发动机控制、制动系统、驾驶辅助系统等。MOST总线媒体导向系统传输(MOST)是一种高带宽、高保真度的通信协议，主要用于车辆多媒体系统，例如音频、视频、导航等。CAN总线通信1实时性高速传输，确保数据及时更新2可靠性错误检测和纠正机制，保证数据完整性3灵活性支持多节点连接，方便系统扩展4成本效益相对低成本，提高系统性价比CAN总线是一种用于汽车电子控制系统的串行通信协议，在电动汽车中广泛应用于各个控制单元之间的通信，例如电机控制器、电池管理系统、车身控制器等。CAN总线通信的特点包括：电动机控制策略转矩控制转矩控制是根据车辆的实际需求，控制电机输出的转矩，从而实现车辆的加速和减速。速度控制速度控制是根据车辆的速度指令，控制电机转速，从而实现车辆的恒速行驶和速度变化。位置控制位置控制是控制电机转子的位置，从而实现车辆的方向控制和精准定位。转矩控制1转矩控制概述转矩控制是电动汽车控制系统的重要组成部分，它通过调节电机励磁电流和电枢电流来控制电机输出转矩。转矩控制的目的是实现对电动汽车行驶速度和加速度的精准控制。2转矩控制方法常见的转矩控制方法包括：电流控制电压控制矢量控制3转矩控制应用转矩控制在电动汽车的加速、爬坡、制动等方面都发挥着至关重要的作用。通过精确控制电机转矩，可以提高电动汽车的性能和效率。速度控制目标速度设定驾驶员通过加速踏板或方向盘上的控制杆设定目标速度。速度传感器反馈车轮速度传感器实时监测车辆实际速度，并将信息传送到控制器。电机转速控制控制器根据目标速度与实际速度的差值，调节电机转速，使车辆达到目标速度。闭环控制速度控制系统通常采用闭环控制，不断调整电机转速以保持车辆速度稳定。位置控制1目标位置设定首先，需要确定目标位置。这可以通过用户输入、传感器反馈或预先设定程序来实现。2位置误差计算通过比较当前位置和目标位置，计算出位置误差。误差的大小反映了电机需要移动的距离。3控制信号生成根据位置误差，控制器会生成相应的控制信号，控制电机的转速和方向，以驱动电机向目标位置移动。4位置反馈电机位置传感器会反馈当前位置信息，用来更新位置误差，实现闭环控制，确保电机能够准确地到达目标位置。能量回收系统制动能量回收当驾驶员松开油门或踩下制动踏板时，电机将从电动汽车的运动中获取能量，并将其储存在电池中。这有效地减少了能量损失，提高了能源效率。下坡能量回收在车辆下坡行驶时，利用重力势能进行能量回收，将重力势能转化为电能存储在电池中，从而提高了续航里程。效率提升能量回收系统通过回收原本会损失的能量，显著提高了电动汽车的整体能量效率，减少了对电池的消耗，延长了续航里程。PMSM矢量控制1矢量控制2转矩控制控制磁场和转矩3速度控制控制转速和方向4位置控制控制电机转子位置PMSM矢量控制是一种用于控制PMSM电机的高级控制技术。它通过控制磁场和转矩来实现对电机速度和位置的精准控制。矢量控制方法将PMSM电机的电流分解为两个相互正交的分量，即磁化电流和转矩电流。通过独立控制这两个电流分量，可以实现对电机速度和位置的精确控制，同时还能提高电机效率和性能。PMSM自适应控制模型不确定性实际PMSM模型可能存在参数变化或未知扰动，导致传统控制方法无法准确跟踪期望轨迹。自适应控制算法通过在线估计模型参数或补偿扰动，实现对模型不确定性的自适应调节，提高控制精度。参数估计利用在线观测器或自适应律实时估计模型参数，例如电机电阻、转动惯量等。鲁棒性增强自适应控制算法可以提高系统对模型不确定性和外部扰动的鲁棒性，确保电机稳定运行。PMSM无传感器控制1降低成本无需额外的传感器2提高可靠性减少传感器故障风险3简化系统更少的硬件和软件PMSM无传感器控制是一种不需要旋转位置传感器的控制方法，它通过估计电机转子位置来实现电机控制。这种方法能够降低成本，提高可靠性，并简化系统设计。无传感器控制方法通常依赖于电机电流和电压信息，通过特定的算法来估计转子位置。常见的算法包括模型参考自适应控制、滑模观测器和扩展卡尔曼滤波器等。异步电机矢量控制1控制原理通过对定子电流进行矢量控制，实现对转子磁场和转速的精确控制。2优点高效率、高精度、快速响应、良好的动态性能。3应用场景广泛应用于电动汽车、工业自动化、机器人等领域。异步电机矢量控制是一种常用的电机控制策略，它通过对定子电流进行矢量控制，实现对转子磁场和转速的精确控制。该控制方法具有高效率、高精度、快速响应、良好的动态性能等优点，广泛应用于电动汽车、工业自动化、机器人等领域。异步电机无传感器控制背景异步电机无传感器控制技术，是指在没有转速传感器的情况下，通过估计电机转子速度和位置来实现对电机的控制。这种技术可以简化电机控制系统，降低成本，并提高系统可靠性。原理无传感器控制方法通常利用电机电流、电压和磁场等信息来估计转子位置和速度，常用的方法包括模型参考自适应控制、滑模控制、观测器等。优势异步电机无传感器控制技术具有成本低、结构简单、可靠性高、维护方便等优点，在电动汽车、工业自动化等领域应用广泛。挑战无传感器控制技术也面临一些挑战，例如估计精度受电机参数变化和噪声影响、需要复杂的算法设计和调参等。电机故障诊断1过载保护当电机电流超过额定值时，保护系统会触发，防止电机过热和损坏。2温度监测监测电机温度，在温度过高时发出警报或采取措施降低温度，例如降低转速或停止运行。3转速监测监测电机转速，如果转速过低或过高，则表明电机可能存在问题。4振动监测监测电机振动，如果振动过大，则表明电机可能存在机械故障。电池故障诊断电压监测电池电压是电池状态的重要指标，通过监测电池电压可以判断电池是否处于正常工作状态。电压过低或过高都可能预示着电池故障。电流监测电池电流是电池充放电的指标，通过监测电池电流可以判断电池的充放电能力，以及是否存在短路或过流等故障。温度监测电池温度对电池性能和寿命有很大的影响，通过监测电池温度可以判断电池是否过热或过冷，并及时采取措施进行热管理。内部阻抗监测电池内部阻抗是电池老化程度的指标，通过监测电池内部阻抗可以判断电池是否老化，以及电池剩余寿命。控制器故障诊断故障检测控制器故障诊断系统通过传感器和数据分析识别故障，并发出警告信号，及时提醒驾驶员注意。这可以包括电压、电流、温度、速度等参数的异常变化，以及系统运行状态的异常情况。故障诊断一旦检测到故障，系统会进行故障诊断，分析故障原因，并确定故障部件或系统。诊断方法包括自诊断、远程诊断和专业诊断。自诊断功能可以让车辆自身识别和定位故障，而远程诊断可以让技术人员通过网络连接进行远程故障分析。故障处理系统会根据诊断结果，采取相应的处理措施。这可以包括显示故障代码、限制车辆功能、提示驾驶员前往维修店等。在紧急情况下，系统可能需要停止车辆运行，以确保安全。车载充电系统交流充电使用家用电源或公共充电桩进行充电，功率较低，充电时间较长。直流快速充电使用专用直流充电桩进行充电，功率较高，充电时间较短。无线充电通过无线电磁感应技术进行充电，无需插头连接，方便快捷。快速充电技术直流快充直流快充是目前主流的电动汽车快速充电技术，它利用高压直流电直接对电池进行充电，充电速度更快，一般可以在30分钟内将电池充满80%的电量。交流快充交流快充是传统的充电方式，利用家用交流电进行充电，充电速度较慢，一般需要数小时才能充满电池。但交流快充成本较低，应用范围更广。无线充电无线充电技术是指通过电磁感应的方式进行充电，无需插头，方便快捷。目前无线充电技术仍在发展阶段，充电功率和充电效率还有待提高。智能充电管理1充电时间优化智能充电管理系统可以根据电价波动、用电高峰、用户需求等因素优化充电时间，降低充电成本，提高充电效率。2充电状态监测系统可以实时监控充电状态，例如充电进度、充电电流、电池温度等，确保充电安全，并及时发现异常情况。3充电策略管理用户可以通过智能手机APP或其他终端设备设置充电策略，例如设定充电时间、充电功率、充电目标等，满足不同用户的需求。充电设施建设基础设施充电设施建设是电动汽车推广的关键环节。需要构建完善的充电网络，包括公共充电桩、私人充电桩、快充站等，覆盖城市、高速公路、停车场等区域。政策支持政府需要制定相应的政策，鼓励充电设施建设，例如给予补贴、税收优惠等，并加强充电设施的标准化建设。充电互联网应用手机APP提供便捷的充电桩查询、预约、支付等功能，并实时监控充电状态。地图导航整合充电桩位置信息，方便用户在行驶途中找到附近的充电站。充电管理平台为运营商提供充电桩管理、数据分析、故障诊断等功能，提升运营效率。电动车驾驶体验电动汽车的驾驶体验与传统燃油汽车截然不同，它拥有许多独特的优势：安静舒适：电动汽车没有发动机噪音，行驶过程非常安静，提升了乘坐舒适性。平顺加速：电动机提供强大的扭矩，起步和加速非常平顺，没有换挡顿挫感。环保节能：电动汽车使用电力驱动，零排放，减少了环境污染，同时也能降低使用成本。加速性能电动汽车的加速性能通常优于传统燃油汽车，主要得益于电动机强大的扭矩输出能力。从上面的图表可以看到，一些高性能电动汽车可以实现令人惊叹的加速表现，例如特斯拉ModelSPlaid仅需2.1秒即可完成0-100km/h加速。续航里程300公里城市通勤500公里长途旅行700公里超长续航电动汽车的续航里程是消费者关注的焦点，随着电池技术的不断发展，电动汽车的续航里程也不断提升。目前，大部分电动汽车的续航里程在300-500公里之间，满足日常通勤和长途旅行的需求。一些高端车型甚至已经实现了700公里的超长续航里程，为消费者带来更