電力助推系統(tǒng)概述

電力助推系統(tǒng)ElectricPropulsionSystems電力助推系統(tǒng)概述第1頁電力推進系統(tǒng)是電動汽車和混合動力汽車心臟。它由電動機、功率轉(zhuǎn)換器和電子控制器三部分組成。電動機將電能轉(zhuǎn)換成機械能驅(qū)動車輛功率轉(zhuǎn)換器用于給電機提供適當(dāng)電壓和電流。電子控制器依據(jù)司機命令經(jīng)過提供控制信號來控制功率轉(zhuǎn)換器，進而控制電機產(chǎn)生適當(dāng)轉(zhuǎn)矩和速度。電力助推系統(tǒng)電力助推系統(tǒng)概述第2頁電力推進系統(tǒng)功效框圖電力助推系統(tǒng)概述第3頁電機分類電力助推系統(tǒng)概述第4頁電動汽車和混合動力電動汽車電機驅(qū)動可分為兩大類，即有換向器電動機和無換向器電動機。換向器電動機主要是傳統(tǒng)直流電機，包含串勵、并勵、復(fù)勵，場勵以及永磁勵磁電機。直流電機優(yōu)點：技術(shù)成熟、控制簡單直流電機缺點：在高速旋轉(zhuǎn)下運行不太可靠、維護不便。功率密度較低。無換向器直流電機優(yōu)勢包含：更高效率，更高功率密度，低運行成本、更可靠和更方便維護；電機分類電力助推系統(tǒng)概述第5頁直流電機驅(qū)動已被廣泛應(yīng)用于需要調(diào)速場所；良好速度可調(diào)性；以及頻繁起動、制動和換向。因為技術(shù)成熟，控制簡單，各種直流電機驅(qū)動器已被廣泛應(yīng)用于不一樣電力牽引當(dāng)中。6.1直流電機驅(qū)動電力助推系統(tǒng)概述第6頁6.1.1直流電機運行原理與性能當(dāng)電線被彎成一個線圈，如圖6.3所表示，作用在兩邊磁力就產(chǎn)生扭矩，這能夠表示為電力助推系統(tǒng)概述第7頁Ra是電樞電阻。對于他勵和并勵直流電動機，Ra等于電樞繞組；對于串勵和復(fù)勵電機，Ra等于電樞繞組和串勵繞組電阻之和。直流電動機基本方程為：直流電動機基本方程電力助推系統(tǒng)概述第8頁直流電動機電樞穩(wěn)態(tài)等效電路從公式6.3和6.4中推得：方程6.3到6.5是適合用于全部直流電動機電力助推系統(tǒng)概述第9頁直流電機轉(zhuǎn)矩速度特征他勵電機中，若磁場電壓不變，則磁通恒定。他勵電機適應(yīng)于需要良好速度調(diào)整和恰當(dāng)轉(zhuǎn)速場所。在串勵電機當(dāng)中，磁通是電樞電流函數(shù)。串勵直流電機適合用于需要高起動轉(zhuǎn)矩和重轉(zhuǎn)矩過載場所。復(fù)勵直流電動機性能介乎于串勵和他勵或并勵電機之間。電力助推系統(tǒng)概述第10頁最理想速度轉(zhuǎn)矩特征是在基準(zhǔn)速度以下?lián)碛泻愣ㄞD(zhuǎn)矩，在基準(zhǔn)速度以上擁有恒定功率。在低于基準(zhǔn)速度時，電樞電流和磁場被設(shè)置在額定值，產(chǎn)生額定轉(zhuǎn)矩。在等于基準(zhǔn)速度時，電樞電壓到達其額定值（等于電源電壓），不能深入增加。為了深入提升速度，磁場就必須隨速度增加而減弱，然后保持反電動勢和電樞電流恒定。轉(zhuǎn)矩伴隨轉(zhuǎn)速增加而下降，輸出功率保持不變。

6.1.2電樞電壓與磁場聯(lián)合控制

電力助推系統(tǒng)概述第11頁電樞電壓與磁場聯(lián)合控制電力助推系統(tǒng)概述第12頁6.1.3直流電機斬波控制電力助推系統(tǒng)概述第13頁負(fù)載電壓Va直接分量或平均值以下式所表示：經(jīng)過控制δ，負(fù)載電壓能夠從0到V之間改變，所以斬波器允許從一個固定電壓直流電源中取得一個可變直流電壓。能夠按各種不一樣方式控制占空比δ來控制開關(guān)s，控制技術(shù)能夠分為兩類：1。時間比率控制（TRC）。2。電流限制控制（CLC）。

直流電機斬波控制

電力助推系統(tǒng)概述第14頁時間比率控制中，也稱為脈寬控制，控制是斬波器工作時間。TRC可深入劃分以下：1.恒頻TRC：周期T固定，改變開關(guān)通斷控制占空比δ2.變頻TRC：經(jīng)過保持ton恒定而改變T，或者同時改變ton和T來改變δ。

時間比率控制（TRC）

電力助推系統(tǒng)概述第15頁在恒導(dǎo)通時間ton變頻控制中，在低斬波頻率頻率下取得低輸出電壓。低斬波頻率反過來影響電機性能。另外，變頻斬波使輸入濾波器設(shè)計變得非常困難。所以，變頻控制是極少用。電流限制控制CLC，也被稱為逐點控制，經(jīng)過把負(fù)載電流控制到指定最大值和最小值之間來間接控制δ。當(dāng)負(fù)載電流到達指定最大值時，開關(guān)斷開負(fù)載。當(dāng)電流到達指定最小值時，開關(guān)重新連接上負(fù)載。對于直流電動機負(fù)載，這種類型控制，既是一個頻率可變又是導(dǎo)通時間可變控制。電流限制控制（CLC）電力助推系統(tǒng)概述第16頁升壓斬波電路電力助推系統(tǒng)概述第17頁假設(shè)電容C很大，大到足以在負(fù)載上維持一個恒定電壓Va。在終端A和B上平均電壓為：電感平均電壓為：電源電壓：把方程6.9和6.10代入到6.11得出：升壓斬波電路電力助推系統(tǒng)概述第18頁電機在四象限上運行電力助推系統(tǒng)概述第19頁無換向器電動機比起傳統(tǒng)直流電動機含有許多優(yōu)點。當(dāng)前，感應(yīng)電機在無換向器電動機中是技術(shù)較為成熟一個電機。與直流電機相比，交流感應(yīng)電機含有以下優(yōu)點，如重量輕，體積小，成本低，效率高。這些特點在電動汽車和混合動力汽車應(yīng)用上顯得非常主要。感應(yīng)電機驅(qū)動電力助推系統(tǒng)概述第20頁鼠籠式感應(yīng)電機感應(yīng)電機有兩種類型，即繞線式和鼠籠式電機。繞線式感應(yīng)電機因為成本高，需要維修，不夠堅固，所以它不如鼠籠式電機應(yīng)用范圍廣。電力助推系統(tǒng)概述第21頁感應(yīng)電機運行原理電機每相通正弦交流電，頻率為ω，每兩相電之間有120?相位差。電流Ias、Ibs和Ics在三定子線圈a—a’，b—b’和c—c’產(chǎn)生交變磁動勢（mmfs）、Fas、Fbs、和Fcs。所以，總磁動勢Fss等于相磁動勢矢量之和。電力助推系統(tǒng)概述第22頁每相磁動勢表示式為：定子總磁動勢為：感應(yīng)電機運行原理

電力助推系統(tǒng)概述第23頁旋轉(zhuǎn)定子磁動勢和轉(zhuǎn)子導(dǎo)體相互反應(yīng)，在轉(zhuǎn)子中感應(yīng)出電壓以及電流。反過來，旋轉(zhuǎn)磁動勢在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子上承載感應(yīng)電流。很顯著，轉(zhuǎn)子中感應(yīng)電流對于轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生是必不可少，反過來，感應(yīng)電流取決于相對定子磁動勢和轉(zhuǎn)子之間相對運動。這就是為何旋轉(zhuǎn)定子磁動勢角速度與轉(zhuǎn)子角速度之間要有個差值。

感應(yīng)電機運行原理

電力助推系統(tǒng)概述第24頁ω為定子磁動勢旋轉(zhuǎn)角速度，它指是電角速度，ωms為機械角速度ωm為轉(zhuǎn)子角速度，轉(zhuǎn)差率為：ωr是轉(zhuǎn)子感應(yīng)電壓頻率

感應(yīng)電機運行原理

電力助推系統(tǒng)概述第25頁轉(zhuǎn)差率與轉(zhuǎn)矩之間關(guān)系缺點：開啟轉(zhuǎn)矩低、速度范圍小、在S>Sm時穩(wěn)定性差電力助推系統(tǒng)概述第26頁

感應(yīng)電機控制感應(yīng)電動機數(shù)學(xué)模型含有高度非線性和強耦合性，控制起來比較復(fù)雜。當(dāng)前感應(yīng)電動機調(diào)速控制主要有兩種方法：一是恒壓頻比調(diào)速控制。二是采取矢量控制。變頻調(diào)速控制方法控制器結(jié)構(gòu)簡單，成本低，但控制精度低，動態(tài)性能差；矢量控制方法控制器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，但控制精度高，轉(zhuǎn)速控制范圍寬，動態(tài)性能好，應(yīng)用最普及。

電力助推系統(tǒng)概述第27頁在低轉(zhuǎn)差率范圍內(nèi)，氣隙磁鏈能夠經(jīng)過下式給出：在額定頻率以下，假如電壓一定而只降低頻率，那么氣隙磁通就要過大，造成磁路飽和，嚴(yán)重時燒毀電動機。所以為了保持氣隙磁通不變，就要求在降低供電頻率同時降低輸出電壓，保持V/f=常數(shù)，這種控制方式為恒壓頻比控制方式。

恒壓頻比（V/f）控制

電力助推系統(tǒng)概述第28頁感應(yīng)電機穩(wěn)態(tài)性能電力助推系統(tǒng)概述第29頁額定勵磁電流：轉(zhuǎn)子電流：轉(zhuǎn)子輸出轉(zhuǎn)矩：最大轉(zhuǎn)矩時轉(zhuǎn)差率：最大轉(zhuǎn)矩：電力助推系統(tǒng)概述第30頁公式6.38表明，伴隨E/ω恒定，最大轉(zhuǎn)矩為一恒定值。公式6.37表明，Smω不變，即轉(zhuǎn)差ωsl不變。在實踐中，因為有定子阻抗和電壓降，電壓應(yīng)略高。當(dāng)電機轉(zhuǎn)速超出其額定轉(zhuǎn)速時，電壓到達額定值，不能再隨頻率增加。在這種情況下，保持電壓固定，頻率隨電機轉(zhuǎn)速繼續(xù)增加，電機進入弱磁運行狀態(tài)。轉(zhuǎn)差率S被固定到其額定頻率對應(yīng)額定值，轉(zhuǎn)差ωsl隨電機速度線性增加。電力助推系統(tǒng)概述第31頁T、V、Pm與電機轉(zhuǎn)速關(guān)系圖電力助推系統(tǒng)概述第32頁純電動汽車或混合動力汽車電源大部分是直流電源，就需要在給感應(yīng)電機供電時先進行DC/AC轉(zhuǎn)換。這一過程叫做逆變過程。逆變器主要由電力電子開關(guān)和電力二極管組成。

6.2.4電力電子控制

電力助推系統(tǒng)概述第33頁6.2.4電力電子控制電力助推系統(tǒng)概述第34頁電力助推系統(tǒng)概述第35頁電機端電壓基波分量頻率跟參考正弦電壓頻率是相同。所以，能夠經(jīng)過改變參考電壓頻率來改變電機電壓。參考波振幅與三角載波振幅比值叫做調(diào)整指數(shù)m。各相電壓基波分量為電力助推系統(tǒng)概述第36頁感應(yīng)電機恒V/f控制適合用于相對低速調(diào)整場所。缺點：對于快速、頻繁速度調(diào)整場所響應(yīng)慢，而且因為功率因數(shù)低，造成運行效率差。恒壓頻控制是建立在感應(yīng)電機穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型上，其被控量（如定子電壓與定子電流）是幅值上標(biāo)量控制，忽略了相位控制，造成電磁轉(zhuǎn)矩未能得到實時、準(zhǔn)確控制，動態(tài)調(diào)速性能差。FOC成功處理了交流電動機轉(zhuǎn)子勵磁分量與轉(zhuǎn)矩分量耦合問題，從而實現(xiàn)了電磁轉(zhuǎn)矩實時高性能控制，大大提升了交流電動機變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)調(diào)速性能。6.2.5磁場定向控制電力助推系統(tǒng)概述第37頁想要控制電機轉(zhuǎn)矩，就要控制轉(zhuǎn)子磁鏈標(biāo)量值及其空間幅角。能夠經(jīng)過控制各相電流幅值大小來到達控制目標(biāo)，而各相電流在空間上幅角，能夠經(jīng)過控制各相電流瞬時相位值來實現(xiàn)。所以，對感應(yīng)電機定子各相電流瞬時控制，就能實現(xiàn)對感應(yīng)電機轉(zhuǎn)矩有效控制?？梢?，對電動機電磁轉(zhuǎn)矩控制本質(zhì)上就是一個矢量控制矢量控制基本思想電力助推系統(tǒng)概述第38頁6.2.5.1磁場導(dǎo)向原理電力助推系統(tǒng)概述第39頁利用高能永磁材料作為勵磁體、永磁電機能夠被設(shè)計含有高功率密度，高速，以及高運行效率。這些突出優(yōu)點使得永磁電機在電動汽車和混合動力汽車中應(yīng)用中含有相當(dāng)吸引力。在永磁電機一族中，無刷直流電機在電動汽車和混合動力汽車應(yīng)用中是最有潛力。6.3永磁無刷直流電機驅(qū)動電力助推系統(tǒng)概述第40頁優(yōu)點

效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、易于控制、易于冷卻、維護成本，壽命長，可靠性高，噪聲低缺點成本高、恒功率范圍受限、安全性低、永磁體退磁、高速性能差、變換易失敗

無刷直流電機優(yōu)缺點電力助推系統(tǒng)概述第41頁直流無刷電機驅(qū)動主要由無刷直流電機，基于數(shù)字信號處理器（DSP）控制器和基于電力電子器件功率轉(zhuǎn)換器，如圖6.42所表示。位置傳感器H1，H2和H3檢測電機轉(zhuǎn)子位置。轉(zhuǎn)子位置信息被反饋到基于數(shù)字信號處理器控制器中，控制器經(jīng)過打開和關(guān)閉定子極繞組將門控信號提供給轉(zhuǎn)換器。這么，就能夠控制電機轉(zhuǎn)矩和速度。6.3.1無刷直流電機基本原理電力助推系統(tǒng)概述第42頁電力助推系統(tǒng)概述第43頁表貼式和內(nèi)嵌式電力助推系統(tǒng)概述第44頁無刷直流電機定子繞組依據(jù)定子繞組產(chǎn)生反電勢波形分為：梯形波繞組和正弦波繞組電力助推系統(tǒng)概述第45頁速度—轉(zhuǎn)矩性能在牽引和其它應(yīng)用場所中是最主要。其它電機，轉(zhuǎn)矩是由磁場和電流相互作用產(chǎn)生。無刷直流電機磁場由永磁體產(chǎn)生，電流取決于電源電壓，反電動勢由電機磁場和速度決定。為了在以取得某一負(fù)載下期望轉(zhuǎn)矩和速度，就需要控制電樞電流。6.3.4無刷直流電機控制及性能分析電力助推系統(tǒng)概述第46頁6.3.4.1性能分析電力助推系統(tǒng)概述第47頁穩(wěn)態(tài)性能分析電力助推系統(tǒng)概述第48頁動態(tài)性能分析若保持轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速恒定，Ls能夠決定電樞電流對于電壓響應(yīng)速度；J決定速度對電壓響應(yīng)快慢電力助推系統(tǒng)概述第49頁無刷直流電機轉(zhuǎn)矩控制電力助推系統(tǒng)概述第50頁

無刷直流電機速度控制

電力助推系統(tǒng)概述第51頁結(jié)構(gòu)簡單、堅固耐用、成本低。它轉(zhuǎn)子上沒有永磁體或繞組。這種結(jié)構(gòu)不但降低了電機成本，而且提升了電機高速運行能力。高速性能好。而不會因為高速運行時產(chǎn)生強大離心力造成機械故障。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可靠。定子繞組被串聯(lián)在逆變器上臂下臂開關(guān)上。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能夠預(yù)防感應(yīng)和永磁電機逆變器產(chǎn)生擊穿故障。效率高，速度范圍寬和控制簡單也是開關(guān)磁阻電機優(yōu)點。6.4開關(guān)磁阻電機電力助推系統(tǒng)概述第52頁電力助推系統(tǒng)概述第53頁開關(guān)詞組電機驅(qū)動系統(tǒng)框圖逆變器和直流電源相連，電源能夠經(jīng)過一個二極管整流器或電池取得。開關(guān)磁阻電機相繞組和逆變器相連，控制器依據(jù)控制策略和反饋信號，向逆變器發(fā)送門選通信號。電力助推系統(tǒng)概述第54頁SRM電機結(jié)構(gòu)電力助推系統(tǒng)概述第55頁開關(guān)磁阻電機工作原理當(dāng)A相繞組電流控制開關(guān)S1、S2閉合時，A相勵磁，所產(chǎn)生磁場力圖使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)到轉(zhuǎn)子極軸線aa'與定子極軸線AA'重合位置，從而產(chǎn)生磁阻性質(zhì)電磁轉(zhuǎn)矩。次序給A—B—C—D相繞組通電(B、C、D各相繞組在圖中未畫出)，則轉(zhuǎn)子便按逆時針方向連續(xù)轉(zhuǎn)動起來；反之，依次給D—C—B—A相繞組通電，則轉(zhuǎn)子會沿順時針方向轉(zhuǎn)動。在多相電機實際運行中，也常出現(xiàn)兩相或兩相以上繞組同時導(dǎo)通情況。當(dāng)q相定子繞組輪番通電一次，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個轉(zhuǎn)子極距。電力助推系統(tǒng)概述第56頁

開關(guān)磁阻電機工作原理

電力助推系統(tǒng)概述第57頁

開關(guān)磁阻電機工作原理

設(shè)每相繞組開關(guān)頻率(主開關(guān)開關(guān)頻率)為fPh，轉(zhuǎn)子極數(shù)為Nr則SR電機同時轉(zhuǎn)速(r／min)可表示為因為是磁阻性質(zhì)電磁轉(zhuǎn)矩，SR電機轉(zhuǎn)向與相繞組電流方向無關(guān)，僅取決于相繞組通電次序．這使得能夠充分簡化功率變換器電路。當(dāng)主開關(guān)S1、S2接通時，A相繞組從直流電源U吸收電能，而當(dāng)S1、S2斷開時，繞組電流經(jīng)過續(xù)流二極管VD1、VD2將剩下能量回饋給電源U。電力助推系統(tǒng)概述第58頁開關(guān)磁阻電機工作原理電力助推系統(tǒng)概述第59頁電機轉(zhuǎn)子從未對齊位置運動到對齊位置，相電感從最小值增加到最大值。假如相電感能夠測量，相電感與轉(zhuǎn)子位置之間函數(shù)關(guān)系是已知，那么轉(zhuǎn)子位置能夠依據(jù)測得相電感得到。1?；谙辔淮沛湻椒?。2。基于相電感方法。3。調(diào)制信號注入法。4?；诨ジ须妷悍椒ā?。基于觀察器方法。開關(guān)磁阻電機無位置傳感器控制電力助推系統(tǒng)概述第60頁相磁鏈伴隨相電流和相位置改變曲線電力助推系統(tǒng)概述第61頁此方法采取有源相相電壓和相電流來預(yù)計轉(zhuǎn)子位置。這種方法基本原理是使用相磁鏈、相電流和轉(zhuǎn)子之間函數(shù)關(guān)系。假如相磁鏈和相電流是已知，就能夠計算出轉(zhuǎn)子位置。6.4.6.1基于相位磁鏈方法電力助推系統(tǒng)概述第62頁6.4.6.2基于相電感方法依據(jù)圖6.70，能夠計算出相電感再依據(jù)計算相電感和測得相電流經(jīng)過查表法可得到轉(zhuǎn)子位置。電力助推系統(tǒng)概述第63頁利用有源相相電流和相電壓數(shù)據(jù)算出相增量電感，然后就能夠計算出轉(zhuǎn)子位置。增量電感由下式得出此方法不需要額外檢測電路。不過，僅適合用于速度小于基準(zhǔn)速度10%低速場所，這是因為在計算相位增量時忽略了反電動勢。6.4.6.2.2基于相增量電感無傳感器控制電力助推系統(tǒng)概述第64頁6.4.6.3.1頻率調(diào)制法6.4.6.3.2AM和PM法6.4.6.3.3基于診療脈沖法6.4.6.3調(diào)制信號注入法電力助推系統(tǒng)概述第65頁方法一：采取L-F轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換電路產(chǎn)生電壓方波，用定時器計數(shù)測得電壓方波頻率。頻率與空閑相瞬時電感成反比。方法二：用F-V轉(zhuǎn)換電路，取得與電壓方波頻率成正比電壓，然后對電壓進行采樣。進而得知電壓方波頻率優(yōu)點：易于實現(xiàn)，含有很強魯棒性。缺點：高速運行時因為勵磁電流存在，限制了信號到SRM每一相傳送。需要額外電路，增加了成本。對互耦非常敏感。調(diào)頻法電力助推系統(tǒng)概述第66頁PM和AM技術(shù)分別是基于相電流相位改變和振幅改變，電流和電壓之間相位角隨電感周期性改變而改變。假如電感很大，電流滯后于電壓滯后角就很大，峰值電