現(xiàn)代交流調(diào)速

1、電動(dòng)汽車用異步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制研究 西安建筑科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院張肖培張肖培 / 趙洪翠趙洪翠2016.7.501 電動(dòng)汽車發(fā)展現(xiàn)狀電動(dòng)汽車發(fā)展現(xiàn)狀03 電動(dòng)汽車電池的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢電動(dòng)汽車電池的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢3.1 鉛酸蓄電池3.2 鎳氫電池3.3 鋰離子電池 3.4 電動(dòng)汽車電池性能比較3.5 結(jié)論 4.1 直接轉(zhuǎn)矩控制特點(diǎn)4.2 電壓逆變器4.3 電壓空間矢量4.4 電壓空間矢量對(duì)轉(zhuǎn)矩的影響4.5 電壓空間矢量對(duì)磁鏈的影響 4.6 直接轉(zhuǎn)矩控制的基本構(gòu)成 目錄目錄02 電動(dòng)汽車的關(guān)鍵技術(shù)電動(dòng)汽車的關(guān)鍵技術(shù)04 直接轉(zhuǎn)矩控制直接轉(zhuǎn)矩控制隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，代步工具的環(huán)保性能也逐漸被開發(fā)出

2、來，尤其是在環(huán)境保護(hù)意識(shí)日益上升的時(shí)代，電動(dòng)車的發(fā)展強(qiáng)勁更是強(qiáng)勢。電動(dòng)車顧名思義就是通過電力帶動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，電動(dòng)車類型主要有純電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力汽車以及燃料電池汽車三類。純電動(dòng)汽車的發(fā)展瓶頸在于電池的電量有限的問題，電池只能滿足短距離出行?；旌想妱?dòng)車可以彌補(bǔ)電池電動(dòng)車的缺陷但是其價(jià)格也相當(dāng)昂貴，并且相應(yīng)的后續(xù)服務(wù)并沒有到位燃料電動(dòng)車尚處于研發(fā)階段，它可以作為節(jié)能電動(dòng)車最有潛力的機(jī)器，但是目前對(duì)于燃料電動(dòng)車的研究尚不成熟，還未建立完善的系統(tǒng)管理。1電動(dòng)汽車發(fā)展現(xiàn)狀電動(dòng)汽車發(fā)展現(xiàn)狀3 / 12電動(dòng)汽車的核心是電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由電機(jī)，控制系統(tǒng)，機(jī)械減速及傳動(dòng)裝置，車輪等組成。傳統(tǒng)的電動(dòng)汽車以直

3、流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩速度特性滿足牽引要求，速度控制系統(tǒng)簡單，易于操作目前市場上對(duì)該技術(shù)的創(chuàng)新主要在于無換向器電機(jī)的技術(shù)研究，使其效率、功率密度、運(yùn)行費(fèi)用、可靠性和免維護(hù)等方面取得突破性進(jìn)展。感應(yīng)電機(jī)研究的時(shí)間長，使用歷史久，技術(shù)成熟安全，使用廣泛永磁無刷電機(jī)的磁場由永磁材料產(chǎn)生，在電動(dòng)車的應(yīng)用領(lǐng)域中具有更高的效率和加工密度，使用范圍廣闊開關(guān)磁阻電機(jī)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、系統(tǒng)完善，在電動(dòng)車的應(yīng)用領(lǐng)域也相當(dāng)廣泛。1 電動(dòng)汽車發(fā)展現(xiàn)狀電動(dòng)汽車發(fā)展現(xiàn)狀發(fā)展電動(dòng)汽車必須解決好3個(gè)方面的關(guān)鍵技術(shù)： 電池技術(shù) 驅(qū)動(dòng)電機(jī)及其控制器 能量管理技術(shù)可以這樣說，電動(dòng)汽車技術(shù)涉及的范圍廣，是多學(xué)科、多領(lǐng)域的綜合。2發(fā)展電動(dòng)汽車的關(guān)鍵技

4、術(shù)發(fā)展電動(dòng)汽車的關(guān)鍵技術(shù)5 / 12電源是制約電動(dòng)汽車發(fā)展的關(guān)鍵之處。對(duì)車載電源的基本要求是比能量高,使用壽命長,成本低。目前正在使用和開發(fā)的動(dòng)力電池主要有以下幾種：鎳鎘電池 鋰電池 燃料電池電池技術(shù)對(duì)電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)及控制器的最基本要求是啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大,具有較寬的恒功率范圍，以適應(yīng)電動(dòng)汽車頻繁啟動(dòng)和功率變化大的使用要求。此外，要求電機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸小，重量輕，以便于安裝，無驅(qū)動(dòng)噪聲。由于電子技術(shù)的飛速進(jìn)步，滑差控制、矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等交流電機(jī)的調(diào)控技術(shù)日趨成熟，交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在電動(dòng)汽車中已成為主流。近年來，開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)開始在電動(dòng)汽車中應(yīng)用。開關(guān)磁阻式電機(jī)具有效率高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、高啟動(dòng)

5、轉(zhuǎn)矩和低啟動(dòng)功率等特點(diǎn),但在降低噪聲和轉(zhuǎn)矩波動(dòng)、電機(jī)模型和控制技術(shù)等方面還需進(jìn)一步探索。驅(qū)動(dòng)電機(jī)及其控制器一個(gè)能對(duì)電池進(jìn)行必要的管理和控制的能量管理系統(tǒng)是電動(dòng)汽車的智能核心，它包括對(duì)電池組容量狀態(tài)的監(jiān)測、終止充放電控制、電池均衡充電控制、減速與制動(dòng)能量回收控制等。應(yīng)用電動(dòng)汽車車載能量管理系統(tǒng)，可以更加準(zhǔn)確地設(shè)計(jì)電動(dòng)汽車的電能儲(chǔ)存系統(tǒng)，確定一個(gè)最佳的能量存儲(chǔ)及管理結(jié)構(gòu)，并且可以提高電動(dòng)汽車本身的性能。在電動(dòng)汽車上實(shí)現(xiàn)能量管理的難點(diǎn)，在于如何根據(jù)所采集的每塊電池的電壓、溫度和充放電電流的歷史數(shù)據(jù)，來建立一個(gè)確定每塊電池還剩余多少能量的較精確的數(shù)學(xué)模型。由于準(zhǔn)確可靠的蓄電池模型的建立、電池荷電狀態(tài)(

6、SOC)參數(shù)的監(jiān)測等還有待進(jìn)一步的提高，因此電動(dòng)汽車能量管理系統(tǒng)的研究還有許多工作要做。電動(dòng)汽車能量管理系統(tǒng) 本文首先介紹電動(dòng)汽車電池的發(fā)展歷程，隨后重點(diǎn)介紹了3種電動(dòng)汽車動(dòng)力電池的研發(fā)狀況。3電動(dòng)汽車電池的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢電動(dòng)汽車電池的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢9 / 12鉛酸蓄電池是目前在汽車領(lǐng)域應(yīng)用得最為廣泛的電池，主要作為內(nèi)燃機(jī)汽車內(nèi)部各種電器和電子設(shè)備的電源。鉛酸蓄電池在過去50 a被廣泛應(yīng)用，具有成熟的技術(shù)，可以大批量生產(chǎn)，生產(chǎn)成本低，價(jià)格便宜。盡管新電池技術(shù)不斷地產(chǎn)生，但鉛酸蓄電池至今仍作為動(dòng)力源但鉛酸蓄電池至今仍作為動(dòng)力源應(yīng)用于旅游觀光車，電動(dòng)叉車或者一些短距離行駛的公交車上。應(yīng)用于旅游觀光

7、車，電動(dòng)叉車或者一些短距離行駛的公交車上。 應(yīng)用于電動(dòng)汽車的新一代閥控式密封鉛酸蓄電池(valve-regulated lead acid battery, VRLA)不須維護(hù)，允許深度放電，可循環(huán)使用;然而VRLA依舊有著鉛酸蓄電池比能量和比功率低的致命弱點(diǎn)，根本原因是金屬鉛的密度大?；旌系碾妱?dòng)汽車使用的混合的電動(dòng)汽車使用的VRLAVRLA，但不適于重度混合汽車或純電動(dòng)車。，但不適于重度混合汽車或純電動(dòng)車。鉛酸蓄電池鉛酸蓄電池 鉛酸蓄電池鉛酸蓄電池 鎳氫電池堿性電池由鎳基和堿性溶液電解液構(gòu)成，主要有鎳鎘電池、鎳鋅電池和鎳氫電池3種，其中鎳氫電池最有應(yīng)用于電動(dòng)汽車的競爭力。鎳氫電池廣泛應(yīng)用受限

8、的原因是其在低溫時(shí)容量減小和高溫時(shí)充電耐受性的限制;此外，價(jià)格也是制約鎳氫電池發(fā)展的主要因素，原材料如金屬鎳非常昂貴。其研制的混合動(dòng)力客車用動(dòng)力鎳氫電池組及管理系統(tǒng)己在“北京實(shí)施混合動(dòng)力公共汽車示范項(xiàng)目”中應(yīng)用。鋰離子電池鋰離子電池 鋰離子電池的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括石墨陽極、鋰離子金屬氧化物構(gòu)成的陰極和電解液(有機(jī)溶劑溶解的鋰鹽溶液)可以看出，相較鎳氫電池，鋰離子電池具有相對(duì)較高的工作電壓和較大的比能量，是鎳氫電池的3倍。鋰離子電池體積小，質(zhì)量輕，循環(huán)壽命長，自放電率低，無記憶效應(yīng)且無污染;電池單個(gè)性能指標(biāo)的數(shù)值范圍跨度大，這是因?yàn)殓H離子電池有較多的電極組合，它們?cè)谛阅苌洗嬖谝欢ǖ牟町?。鋰離子電池鋰離

9、子電池 不同陰極的鋰電池性能不同。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：指出要將鋰離子電池大量應(yīng)用于電動(dòng)汽車仍然存在問題，主要是因?yàn)槎喾N性能的限制，包括鋰離子電池的安全性、循環(huán)壽命、成本、工作溫度和材料供應(yīng)。鋰離子電池目前以小容量、低功率電池為主，大容量高功率的鋰離子電池尚未大規(guī)模生產(chǎn)，因此針對(duì)電池組的電池管理系統(tǒng)中一些不成熟的技術(shù)(如均衡充電技術(shù))是鏗離子電池尚未在電動(dòng)汽車中廣泛應(yīng)用的重要原因之一。鋰離子電池鋰離于電池技術(shù)的先進(jìn)性和在新興關(guān)鍵市場(電動(dòng)汽車領(lǐng)域)的應(yīng)用，己激發(fā)全球范圍內(nèi)的研發(fā)熱潮，因此鋰離子電池勢必將在電動(dòng)汽車和新能源領(lǐng)域占據(jù)重要位置。目前在電動(dòng)汽車中，應(yīng)用較多的鋰離子電池是磷酸鐵鋰電池，它具有較好的

10、熱穩(wěn)定性和安全性，同時(shí)價(jià)格相對(duì)便宜。這些因素使磷酸鐵鋰電池成為小型電動(dòng)汽車和PHEV動(dòng)力電池首選。然而在鏗離子電池中，磷酸鋰電池的比能量、比功率以及運(yùn)行電壓相對(duì)較低，在大型純電動(dòng)車應(yīng)用在大型純電動(dòng)車應(yīng)用方面鈷酸鋰和錳酸鋰電池等更具優(yōu)勢。我國鋰離子電池產(chǎn)量增長快速方面鈷酸鋰和錳酸鋰電池等更具優(yōu)勢。我國鋰離子電池產(chǎn)量增長快速。電動(dòng)汽車電池性能比較由圖1可以看出，在目前市場上的電池中，鋰離子電池(鋰離子電池和鋰聚合物電池)除在價(jià)格和安全性方面處于劣勢以外，其他方面均處于絕對(duì)領(lǐng)先地位，有進(jìn)一步研發(fā)和大規(guī)模應(yīng)用的前景。結(jié)論1)1)鉛酸電池鉛酸電池鉛酸電池雖便宜，并在叉車、觀光車或者短途公共汽車上作為動(dòng)力

11、源應(yīng)用，但新一代鉛酸電池的比能量和循環(huán)次數(shù)仍存在嚴(yán)重的限制。未來使用鉛酸電池來驅(qū)動(dòng)在高速公路上行駛的電動(dòng)汽車是不實(shí)際的，但價(jià)格優(yōu)勢使其在輕度混合或者短途行駛的電動(dòng)汽車(如觀光車)中仍占一席之地。結(jié)論2 2）鎳氫電池）鎳氫電池 鎳氫電池雖然具有較高的比能量和比功率等優(yōu)點(diǎn);但由于需要大量使用鎳和鉆其成本較高，鎳鉆的稀缺性會(huì)導(dǎo)致其大批生產(chǎn)和使用時(shí)價(jià)格反而會(huì)上漲。目前，它仍然大量地應(yīng)用于混合動(dòng)力車，隨著鋰離子電池的大規(guī)模生產(chǎn)和成本的降低，鎳氫電池終將退出。例如，日本豐田汽車公司宣布最新一代Prius不再使用鎳氫電池而使用鏗離子電池。3)3)鋰離子電池鋰離子電池目前市場上的電池中，鋰離子電池(鋰離子電池

12、和鋰高聚合物電池)的性能最好，同質(zhì)量的鋰離子電池其能量是鉛酸電池的4-6倍，是鎳氫電池的2-3倍。價(jià)格和大功率鋰離子電池的安全性是它的最主要缺點(diǎn)。對(duì)于鋰離子電池技術(shù)最大的挑戰(zhàn)是繼續(xù)擴(kuò)大電池容量，同時(shí)保證安全性和循環(huán)次數(shù)不受影響，并降低成本。此外，電動(dòng)汽車電也的快速充放電能力對(duì)于它未來作為風(fēng)電和太陽能等新能源發(fā)電的備用非常重要。具有應(yīng)用前景的還有鋰硫電池。鏗硫電池為二次鋰電池，具有比能量高、成本低、環(huán)境友好的特點(diǎn)。目前己有鋰硫電池產(chǎn)品面世，如美國Sion Power公司的產(chǎn)品，比能量可達(dá)350 Wh/kg。4.1 直接轉(zhuǎn)矩控制特點(diǎn)直接轉(zhuǎn)矩控制特點(diǎn)直接轉(zhuǎn)矩控制直接是在定子坐標(biāo)系下分析交流電的數(shù)學(xué)模

13、型、直接轉(zhuǎn)矩控制直接是在定子坐標(biāo)系下分析交流電的數(shù)學(xué)模型、控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩和磁鏈，可以省掉矢量旋轉(zhuǎn)變化的復(fù)雜變化與計(jì)控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩和磁鏈，可以省掉矢量旋轉(zhuǎn)變化的復(fù)雜變化與計(jì)算。算。直接轉(zhuǎn)矩控制磁場定向所用的是定子磁場減少了矢量控制中直接轉(zhuǎn)矩控制磁場定向所用的是定子磁場減少了矢量控制中易受參數(shù)變化影響的問題。易受參數(shù)變化影響的問題。直接轉(zhuǎn)矩控制采用空間矢量的概念分析模型，是問題簡單。直接轉(zhuǎn)矩控制采用空間矢量的概念分析模型，是問題簡單。直接轉(zhuǎn)矩控制強(qiáng)調(diào)轉(zhuǎn)矩的直接控制與效果直接轉(zhuǎn)矩控制強(qiáng)調(diào)轉(zhuǎn)矩的直接控制與效果直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)，用空間矢量分析法直接在定子坐標(biāo)系下直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)，用空間矢量分析法直接在定子坐

14、標(biāo)系下計(jì)算與控制建立電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩。該控制轉(zhuǎn)矩響應(yīng)迅速，切無超調(diào)。計(jì)算與控制建立電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩。該控制轉(zhuǎn)矩響應(yīng)迅速，切無超調(diào)。電壓逆變器電壓逆變器是交流異步電機(jī)控制系統(tǒng)中必不可少的重要組成部分，在交流異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中更是非常的重要，只有電壓型逆變器的輸出才能驅(qū)動(dòng)異步電機(jī)的運(yùn)行，下面對(duì)電壓逆變器進(jìn)行簡單介紹，逆變器的基本模型如左圖所示。電壓逆變器電壓逆變器控制系統(tǒng)的逆變器如上圖所示，逆變器的每一相的上橋臂和下橋臂的開關(guān)狀逆變器的每一相的上橋臂和下橋臂的開關(guān)狀態(tài)是相反的，將逆變器的三相橋臂綜合考慮就可以得到態(tài)是相反的，將逆變器的三相橋臂綜合考慮就可以得到8 8種開關(guān)狀態(tài)組合種開關(guān)狀態(tài)組合。每一種

15、開關(guān)組合都會(huì)對(duì)電機(jī)產(chǎn)生不同的作用，在本文中可以用Sa、Sb、Sc表示電壓逆變器三相橋臂的開關(guān)狀態(tài)，例如，我們用Sa=1來表示第一相上橋臂處于導(dǎo)通狀態(tài)，此時(shí)第一相的下橋臂就處于關(guān)斷狀態(tài)，相反，當(dāng)Sa=0時(shí)，則說明第一相上橋臂是關(guān)斷的，此時(shí)第一相的下橋臂則是導(dǎo)通的，三相橋臂的開關(guān)狀態(tài)可以用表所示。電壓空間矢量電壓空間矢量狀態(tài)“1”至“6”可以對(duì)應(yīng)六個(gè)電壓空間矢量，狀態(tài)“0”和“7”對(duì)應(yīng)兩個(gè)零電壓矢量。將逆變器的輸出電壓用電壓空間矢量表示：電壓逆變器輸出狀態(tài)對(duì)應(yīng)的電壓空間矢量的幅值是一樣的，都為，相臨的電壓空間矢量的夾角都為60度，如圖所示。電壓空間矢量對(duì)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的影響電壓空間矢量對(duì)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩

16、的影響研究過程當(dāng)中，轉(zhuǎn)矩的大小與定子磁鏈幅值、轉(zhuǎn)子磁鏈幅值和刺痛叫乘積成正比，實(shí)際運(yùn)行中保持定子磁鏈幅值為額定值，轉(zhuǎn)自幅值由負(fù)載決定，那么影響電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩變化的因素只有定子磁鏈相定子磁鏈相位角位角。在控制的過程中，一般都是利用電壓空間矢量對(duì)電機(jī)定子磁鏈的作用，調(diào)節(jié)定子磁鏈和轉(zhuǎn)子磁鏈之間的夾角，而調(diào)節(jié)定、轉(zhuǎn)子磁鏈的夾角一般都是通過調(diào)節(jié)定子磁鏈的相位角實(shí)現(xiàn)的，所以當(dāng)知道了定、轉(zhuǎn)子磁鏈的夾角信息，就能夠得到電機(jī)轉(zhuǎn)矩的實(shí)時(shí)信息。研究過程中假設(shè)定、轉(zhuǎn)子磁鏈夾角磁通角，如果此時(shí)作用的電壓空間矢量與當(dāng)前定子磁鏈相比較具有超前性時(shí)，轉(zhuǎn)矩會(huì)隨之增大;當(dāng)作用的電壓空間矢量與當(dāng)前定子磁鏈相比較，是處于對(duì)定子磁鏈具有

17、牽制作用狀態(tài)的時(shí)候，表現(xiàn)出了一定的滯后性，這個(gè)時(shí)候電機(jī)的轉(zhuǎn)矩會(huì)隨之減??；如果此時(shí)工作的是零電壓空間矢量，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩會(huì)減小。 電壓空間矢量對(duì)電機(jī)定子磁鏈的影響電壓空間矢量對(duì)電機(jī)定子磁鏈的影響 定子磁鏈的表達(dá)式 不考慮電機(jī)定子電阻的存在電壓空間矢量對(duì)電機(jī)定子磁鏈的影響電壓空間矢量對(duì)電機(jī)定子磁鏈的影響定子磁鏈空間矢量頂點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方向和軌跡即定子磁鏈的運(yùn)動(dòng)方向與軌跡對(duì)應(yīng)于電壓空間矢量的作用方向，定子磁鏈的運(yùn)動(dòng)軌跡平行于us（t）指示方向。在適當(dāng)?shù)臅r(shí)刻依次給出定子電壓空間矢量則得到磁鏈的運(yùn)動(dòng)軌跡依次沿邊運(yùn)動(dòng)形成正六邊形磁鏈。直接利用逆變器的六中工作開關(guān)狀態(tài)，簡單的得到六邊形磁鏈軌跡以控制電動(dòng)機(jī)，這是DSR

18、控制的基本方法。直接轉(zhuǎn)矩基本結(jié)構(gòu)直接轉(zhuǎn)矩基本結(jié)構(gòu) 在直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中，需要充分了解電壓逆變器的特點(diǎn)?？梢愿鶕?jù)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)逆變器進(jìn)行調(diào)節(jié)，輸出相應(yīng)的電壓空間矢量從而保證定子磁鏈能按照正常軌跡運(yùn)行，通過對(duì)電機(jī)定子磁鏈的觀測和調(diào)節(jié)，達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的，再對(duì)電機(jī)實(shí)時(shí)地運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析，對(duì)電壓空間矢量進(jìn)行選擇來改變電機(jī)的定子磁鏈，這樣周而復(fù)始的工作。其結(jié)構(gòu)如圖所示。 . 1)1)電機(jī)定子磁鏈和電機(jī)轉(zhuǎn)矩的觀測電機(jī)定子磁鏈和電機(jī)轉(zhuǎn)矩的觀測: :控制系統(tǒng)對(duì)電機(jī)的一些實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)對(duì)電機(jī)的一些實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集之后，將采集到結(jié)果進(jìn)行分析處理以及計(jì)算得到定子磁進(jìn)行采集之后，將采集到結(jié)果進(jìn)行分析處理以及計(jì)算得到定子磁鏈的信息和轉(zhuǎn)矩鏈的信息和轉(zhuǎn)矩; ; 2) 2)磁鏈調(diào)節(jié)器磁鏈調(diào)節(jié)器: :在本次設(shè)計(jì)中選用的是磁鏈滯環(huán)調(diào)節(jié)器，這樣可以在本次設(shè)計(jì)中選用的是磁鏈滯環(huán)調(diào)節(jié)器，這樣可以讓電機(jī)的定子磁鏈基本不發(fā)生變化，給出相應(yīng)的控制信號(hào)讓電機(jī)的定子磁鏈基本不發(fā)生變化，給出相應(yīng)的控制信號(hào); ;3)3)轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器: