純電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

純電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案2.1純電動(dòng)汽車整車設(shè)計(jì)方案2.I.1純電動(dòng)汽車應(yīng)造方案1、原車改造方案本廉題的純電動(dòng)汽車室物，是在L56600CJ中型客車基礎(chǔ)上盤裝面成的1L$6600已1中型客車如圖N1所示.整車參數(shù)期表Z1所示&純電動(dòng)汽車的改裝采用了傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽竄的標(biāo)港配置」為了簡(jiǎn)化改裝步驛，盡量保留了痣車內(nèi)帶的各種設(shè)備和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)-t要保留了康軍的，變速器、離合器、主減速器和差速器口因?yàn)槁褎?dòng)器需要水冷散熱功能，故也保留了原車的冰箱及水泵-采用蓄電池蛆.郭:動(dòng)控制器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)替代了原有車輛的燃油供給系統(tǒng)及發(fā)動(dòng)機(jī)。采用標(biāo)準(zhǔn)大眾汽車廠生產(chǎn)的電子油門替代了原有的機(jī)械式油門踏板，并根據(jù)控制器的控制要求對(duì)原有的內(nèi)需機(jī)點(diǎn)火裝置進(jìn)行了改裝,使原軍仍城開關(guān)可以適成純電動(dòng)汽車控制的要求⑶金叫圖工113?前0型中型客車表2.1LS6600C1整車參數(shù)名祿符號(hào)瓜位*威值主她速器傳動(dòng)比6.17變速器速比5.568（1檔）2.832（2檔）1.634（3檔）1.000（4檔）0.814（5檔）輪胎半徑rm0.363風(fēng)用cdam23.48滾動(dòng)阻力系數(shù)f0.013旋轉(zhuǎn)質(zhì)段換算系數(shù)s1.05機(jī)械效率%0.90底盤:質(zhì)量m.kg2580允許殿大質(zhì)量用一kg4700設(shè)計(jì)最高車速一仁km/h90改裝后摳車質(zhì)量乜33050底盤型號(hào)CA1040PS0D142、純電動(dòng)汽車整車結(jié)構(gòu)劃分山于純電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)裝置與傳統(tǒng)意義上的汽乍是完全不一樣的，故其驅(qū)動(dòng)器及控制器都需耍經(jīng)過(guò)重新設(shè)計(jì)。電動(dòng)汽乍整車結(jié)構(gòu)圖如圖2.2所示。驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)電動(dòng)汽車系統(tǒng)主要包含三部分：驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)。驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的功能是：通過(guò)控制器電路與油門踏板、剎車踏板相連，控制電機(jī)凄動(dòng)電路，完成車輛的前進(jìn)、后退及制動(dòng)能量回收功能。電源系統(tǒng)的功能是：蓄電池組對(duì)驅(qū)動(dòng)電路及控制電路的供電和對(duì)其他輔助電路的供電作用，并且可以完成對(duì)蓄電池的充電功能。輔助系統(tǒng)的功能是：完成助力轉(zhuǎn)向及車內(nèi)空調(diào)溫度調(diào)節(jié)等功能。2.1.2純電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)選型1、電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)類型用于電動(dòng)汽車駱動(dòng)的電動(dòng)機(jī)一般分為2類，即：有換向器的電動(dòng)機(jī)和無(wú)換向器的電動(dòng)機(jī)⑶。如圖2.3所示。其中有陰影背景的電動(dòng)機(jī)類型表示已經(jīng)被近代電動(dòng)汽車所采用⑴。永磁宜流電機(jī)的主要特點(diǎn)是：使用永磁材料代替了勵(lì)磁繞組。這樣做的優(yōu)點(diǎn)是：電機(jī)徑向空間的利用率得到了提高，從而使電機(jī)定子的設(shè)計(jì)直徑減小。并且由于永磁材料的磁導(dǎo)率較低，使得電樞反應(yīng)減小，互感增加。但是永磁直流電機(jī)也存在著一些缺點(diǎn)如:有換向器和電刷使得其可靠性降低，需要定期維護(hù),但是，由于永磁直流電動(dòng)機(jī)技術(shù)成熟且控制簡(jiǎn)單，永磁宜流電動(dòng)機(jī)一直在電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域有著突出的地位2段工本課題選用了包頭長(zhǎng)安永磁電動(dòng)機(jī)研發(fā)有限公司生產(chǎn)的ZYCD-45型永磁直流電動(dòng)機(jī)，其主要參數(shù)如表2.2所示。表2.2ZYCD-45電機(jī)主要參數(shù)中文名稱符號(hào)單位參數(shù)值額定電用憶V210額定電流I-A190領(lǐng)定轉(zhuǎn)速r/min3000額定功率匕kW40額定轉(zhuǎn)矩Nm124電樞電阻RaQ0.0265電樞電感LmH0.192.2純電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)器需求2.2J驅(qū)動(dòng)器功能性需求駱動(dòng)器是純電動(dòng)汽車的核心子系統(tǒng)，其成本占據(jù)了驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的首位。它的主要功能是：在主控制器的控制下，高效地將蓄電池的電能轉(zhuǎn)化為車輛的動(dòng)能，或?qū)④囕v的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能，回饋到蓄電池中存儲(chǔ)⑶。純電動(dòng)汽車永磁直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器的性能主要取決于以下3個(gè)方面：駕駛員對(duì)純也動(dòng)汽車的駕駛性能要求、車輛的性能約束、車載電源的性能網(wǎng)。具體的驅(qū)動(dòng)器功能要求如下1四：1、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩足夠大，能夠滿足純電動(dòng)汽車啟動(dòng)、頻繁啟停、加速、爬坡的要求，一般要求電動(dòng)機(jī)的過(guò)載系數(shù)可以達(dá)到3?4口嘰2、驅(qū)動(dòng)電機(jī)應(yīng)該有較寬的調(diào)速范圍，在25%?100%的殿大轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，可以近似有恒格矩、恒功率的輸出特性，能夠滿足純電動(dòng)汽車最高車速和行駛工況的要求1到。3、比功率距一般按照最大功率計(jì)算，可以達(dá)到(1?1.25)kw/k/叫4、能量轉(zhuǎn)換效率高，要求在典型的駕駛循環(huán)區(qū)內(nèi)，可以獲得85%~93%的效率。5、能睇完成再生制動(dòng)功能，并旦要求再生制動(dòng)時(shí)的能量回收率高|期。6、要求有良好的制動(dòng)、驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)特性12叫7、有良好的環(huán)境適應(yīng)性，可以在不同的環(huán)境下可用工作1刈。8、設(shè)備維護(hù)簡(jiǎn)單，工作噪聲低田1。222驅(qū)動(dòng)電路選型永磁直流電動(dòng)機(jī)在電動(dòng)汽車上的應(yīng)用，要求那動(dòng)電動(dòng)機(jī)能夠在多段限運(yùn)行，包括：正轉(zhuǎn)和正轉(zhuǎn)制動(dòng)、反轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)制動(dòng)，如圖2.4所示磔|,對(duì)具有倒車檔的車輛，僅要求兩象限運(yùn)行(正轉(zhuǎn)及正轉(zhuǎn)制動(dòng)，即第一象限與第四象限叫但是，對(duì)沒(méi)行倒車檔的車輛，則需要四象限運(yùn)行。由于木課題采用了變速器，永磁直流電機(jī)的運(yùn)行只需要兩象限。圖2.4多象限運(yùn)行的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩特性1、直流降壓斬波電路如圖2,5所示為一個(gè)簡(jiǎn)單.的直流降壓斬波電路原理圖口咒VD圖2.5直流降壓斬波電路VT的控制極由膿寬可調(diào)的PWM序列Ug驅(qū)動(dòng)。在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，當(dāng)04t<ton時(shí)，Ug為正，VT導(dǎo)通，電源電壓通過(guò)VT加到電動(dòng)機(jī)電樞兩端：ton"tvT時(shí)，Ug為負(fù)，VT關(guān)斷，電樞失去電源，經(jīng)VD續(xù)流1動(dòng)。這樣，電動(dòng)機(jī)兩端得到的平均電壓為：5=察廣DU$ (2.1)改變占空比D(0<D<1)即可調(diào)節(jié)永磁電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。若令y=UJUs為PWM電壓系數(shù),則在降壓斬波電路中：Y=D (2.2)圖2.6中繪出了穩(wěn)態(tài)時(shí)電樞兩端的電壓波形與=/?)和平均電壓見(jiàn)。由于電磁慣性，也樞電流id的變化幅值比電壓波形小，但仍舊是脈動(dòng)的，其平均值等于負(fù)載電流I尸TJCq圖2.6中還繪出了電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)E，由于PWM變換器的開關(guān)頻率高，電流的脈動(dòng)幅值不大，再影響到轉(zhuǎn)速和反電動(dòng)勢(shì)，其波動(dòng)就更小，一般可以忽略不計(jì)12叫圖2.6穩(wěn)態(tài)時(shí)電樞兩端電壓波形2、二獨(dú)限D(zhuǎn)C-DC變換電路如圖2.7所示的電路。當(dāng)VT1導(dǎo)通時(shí)，流過(guò)正向電流+id,VT2導(dǎo)通時(shí)，流過(guò)-id。應(yīng)注意該電路只能工作在第一、二象限，因?yàn)槠骄妷篣d并沒(méi)有改變極性。如圖2.8所示的電壓和電流波形有三種不同情況，無(wú)論何種狀態(tài)，功率開關(guān)器件VT1和VT2的驅(qū)動(dòng)電壓都是大小相等、極性相反的。即：%=一% (23)在一般電動(dòng)狀態(tài)中，id始終為正值，如圖2.7所示id電流正參考方向。設(shè)ton為VT1的導(dǎo)通時(shí)間，則在OVtVton時(shí)，％為正，VT1導(dǎo)通，為負(fù)，VT2關(guān)斷網(wǎng)。此時(shí)，電源電壓Us加到電樞兩端,電流id沿圖2.7中的回路1流通網(wǎng)。在tonwtvT時(shí),，乙和億？同時(shí)改變極性,此時(shí)VT1關(guān)斷，但VT2卻不能立刻導(dǎo)通，因?yàn)閕d沿網(wǎng)路2通過(guò)二極管VD2續(xù)流，在VD2兩端產(chǎn)生的壓降給VT2施加了反壓，使VT2失去了導(dǎo)通的可能取，故，實(shí)際上是由VT1和VD2交替導(dǎo)通，雖然電路中多了?個(gè)功率開關(guān)器件VT2,但并沒(méi)有被用上口?！?。般電動(dòng)狀態(tài)下的也壓和電流波形也就和簡(jiǎn)單的降壓斬波電路波形完仝一樣,如圖2.8所示:bgl-UxiVT) VD2 VT1UdE圖2.8電動(dòng)狀態(tài)下的電壓電流波形在制動(dòng)狀態(tài)中，id為負(fù)值，VT2就發(fā)揮作用了。這種情況發(fā)生在電動(dòng)過(guò)程中需要降速的時(shí)候13叫此時(shí)，首先減小控制電壓，使得Ugl的正脈沖變窄，負(fù)脈沖變寬，進(jìn)而使平均電機(jī)電樞電壓Ud減小即）。山于電機(jī)的慣性，電機(jī)轉(zhuǎn)速與反電動(dòng)勢(shì)不會(huì)突變，因而造成E>Ud,使得電流id反向，VD2截止。在ton?l<T時(shí)，Ug2變正，于是VT2導(dǎo)通，反向電流沿回路3流通，產(chǎn)生能耗制動(dòng)作用網(wǎng)。在TVtvT+ton（即下一周期的OWivton）時(shí)，VT2關(guān)斷，-id沿回路4經(jīng)VD1續(xù)流，向蓄電池回饋制動(dòng)，同時(shí)，VD1兩端壓降鉗住VT1使其截止制動(dòng)時(shí)，VT2和VD1交替導(dǎo)通，而VT1始終是關(guān)斷的，此時(shí)的電壓、電流波形圖如圖2.9所示口曳圖2.9制動(dòng)狀態(tài)下的電壓電流波形

在輕載電動(dòng)狀態(tài)下，這時(shí)平均電流較小，以致在VT1關(guān)斷后id經(jīng)VD2續(xù)流時(shí)，還沒(méi)有到達(dá)周期T,電流已經(jīng)衰減到零，如圖2.10中ton?T期間的t=t2時(shí)刻，這時(shí)VD2兩端電壓也降為零，VT2便提前導(dǎo)通了，使電流反向，產(chǎn)生局部時(shí)間的制動(dòng)作用網(wǎng).這樣,輕載時(shí)，電流在正負(fù)方向之間脈動(dòng)，平均電流等于負(fù)載電流，一個(gè)周期分成4個(gè)階段，如表2.3所示：表2.3二象限D(zhuǎn)C-DC變換器在不同工作狀態(tài)下的導(dǎo)通序件和電流回路與方向0-tonton?T0~t4t4~tonton-12t2~T一般電動(dòng)狀杰導(dǎo)通器件電流回路電流方向VT11十VD22+制動(dòng)狀態(tài)導(dǎo)通器件電流回路電流方向VDI4VT23一%輕載電動(dòng)狀態(tài)導(dǎo)通器件電流1可路電流方向VDI4VT11十VD22十VT23092.2.3功率器件選型功率器件作為驅(qū)動(dòng)器的核心元件，占整個(gè)驅(qū)動(dòng)器成本的絕大部分，故功率器件的選型對(duì)于驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)而言是十分重要的。在選用電力驅(qū)動(dòng)的半導(dǎo)體功率器件時(shí)，一般考慮以下5點(diǎn)要求；U額定值功率器件額定值的選擇主要包含電壓額定值與電流額定值c功率密件額定電壓值的選擇應(yīng)該根據(jù)蓄電池銘牌規(guī)定的額定電壓、充電時(shí)的最大電壓及再生制動(dòng)時(shí)的最大電壓綜合確定。功率器件額定電流值的選擇及該根據(jù)電動(dòng)機(jī)額定功率的峰值及所并聯(lián)的功率器件個(gè)數(shù)綜合確定，并且當(dāng)器件并聯(lián)時(shí)各功率器件的導(dǎo)通狀態(tài)與開關(guān)將性必須匹配良好叫2、功率授耗功率損耗決定了功率器件的工作效率，功率器件導(dǎo)通時(shí)的壓降或損耗應(yīng)降到展小，同時(shí)開關(guān)損耗應(yīng)盡量?、?。3、基極、門極的可驅(qū)動(dòng)性功率器件不能夠直接驅(qū)動(dòng)，應(yīng)該采用相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路來(lái)驅(qū)動(dòng)功率器件，應(yīng)盡量采用簡(jiǎn)隼、安全的基極、門極騙動(dòng)。4、堅(jiān)固車輛在行駛時(shí)的環(huán)境有時(shí)十分惡劣，功率器件必須有足夠的抗過(guò)載能力，能夠承受過(guò)電壓時(shí)的巨大能量，并且能在過(guò)流時(shí)通過(guò)快速熔斷器或保險(xiǎn)絲加以保護(hù)。5、成熟性與成本半導(dǎo)體功率器件的成本占整個(gè)純電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的絕大部分，故功率器件的性價(jià)比應(yīng)該高⑶。這里采用了評(píng)分的方法對(duì)8個(gè)主要參數(shù)進(jìn)行了評(píng)價(jià)，每個(gè)參數(shù)得分為）到5,如表2.4所示：表2.4各種電動(dòng)汽車功率器件的比較GTOBJTMOSFETIGBTMCT額定值54253開關(guān)頻率12444功率損失23444門極可卵動(dòng)性23555動(dòng)態(tài)特性23555抗過(guò)我能力3355.5成熟性55442低廉性44442總和2427333630I』話萬(wàn)I可以看屈7MOSFIST、IGBT后MCT評(píng)分較高，這表示這些功率半導(dǎo)體器件尤其適用于純電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)網(wǎng)。由于IGBT的性能最優(yōu)，它在電動(dòng)汽車領(lǐng)域的應(yīng)用也最為廣范叫本課題采用的是EuropeanPower-SemiconductorandElectronicsCompany公司生產(chǎn)的FF800R12KF4型IGBT。純電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)器主電路如圖2.11所示，實(shí)物圖如圖2.12所示。圖2.12驅(qū)動(dòng)器實(shí)物圖純電動(dòng)汽車控制器需求控制器功能性需求1、根據(jù)駕駛員操作和車輛目前的工況，完成相應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)短、轉(zhuǎn)速特性的調(diào)節(jié)⑶2、根需駕駛員操作和車輛目前的工況，完成再生制動(dòng)的控制即】。3、能完成相關(guān)監(jiān)測(cè)信號(hào)的顯示。包拈：主電路接通信號(hào)、電機(jī)轉(zhuǎn)速，電機(jī)電樞電流、電機(jī)的輸入電壓、電機(jī)溫度、動(dòng)力電池組的輸出電壓和電流、加速踏板的開度、制動(dòng)強(qiáng)度和車速卬】.4、當(dāng)車輛控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障或者在非正常工作狀態(tài)時(shí)，能提醒駕駛員（川.5、異常狀況的安全保護(hù)。控制系統(tǒng)在監(jiān)測(cè)到車輛發(fā)生故障或處「非正常工作狀態(tài)時(shí),能立即采取保護(hù)措施，停止工作⑶6、故障顯示功能?？刂葡到y(tǒng)在監(jiān)測(cè)到車物發(fā)生故障或處于非正常T.作狀態(tài)時(shí)，在來(lái)取保護(hù)措施停止工作后能保存當(dāng)前乍輛的相關(guān)監(jiān)測(cè)信息，以便于發(fā)現(xiàn)故障，及時(shí)排除川。7、能和其他模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)8、能承受振動(dòng)，零部件無(wú)松脫、能在高低溫工作條件下正常工作、能抗電磁干擾9、控制電路的設(shè)計(jì)利布置要方便可靠，在發(fā)生交通事故或者其他安全事故時(shí)能保護(hù)乘員的安全⑶L控制器MCU選型MCU是控制器的核心元件，其選取直接影響電動(dòng)汽車的控制效果。MCU的選擇主要通過(guò)以卜三方面原則進(jìn)行因以）。1、可靠性車輛的控制者是駕駛員，MCU作為整個(gè)控制器的核心元件其可養(yǎng)性決定了整個(gè)系統(tǒng)的質(zhì)量，為了保證人員的安全以及系統(tǒng)的穩(wěn)定性，應(yīng)該使用可器性較高的MCU芯片來(lái)完成主控制器的設(shè)計(jì)，應(yīng)注重MCU的溫度適應(yīng)性、抗干擾性、耐電壓沖擊性、是否具備看門狗電路等。2、擴(kuò)展性系統(tǒng)的集成度越高，系統(tǒng)的穩(wěn)定性也就越好，對(duì)于電動(dòng)汽車的控制器而言，所做的處理任務(wù)很多，比如電機(jī)控制、溫度檢測(cè)、儀表通信等功能。是否具備相應(yīng)的接口或者功能模塊，決定了該款MCU的實(shí)用性。所以應(yīng)該盡量選用接口豐富，具有豐富功能模塊的MCU。3、易維護(hù)性控制器的各項(xiàng)功能是通過(guò)下載到MCU中的程序來(lái)實(shí)現(xiàn)的，能夠方便的時(shí)控制器的各項(xiàng)子功能進(jìn)行調(diào)試，是系統(tǒng)易于維護(hù)的體現(xiàn)。在控制器調(diào)試完畢之前是否支持在線編程，寄存器在線查看等功能也是MCU在選擇方面應(yīng)該注意的曳要因素。綜合以上因素，木課題中采用了女eescale公司生產(chǎn)的MC9s12DG128型16位單片機(jī)。介ccscalc半導(dǎo)體公司前身為摩托羅拉半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)部，2004年從摩托羅拉分拆上市。公司從1953年開始從事半導(dǎo)體業(yè)務(wù)，是世界半導(dǎo)體產(chǎn)'亞與技術(shù)的開拓者，是全球大型的半導(dǎo)體公司之一，在微控制器領(lǐng)域長(zhǎng)期居全球市場(chǎng)領(lǐng)先地位，尤其是在汽車微控制器領(lǐng)域。freescale公司的微控制器產(chǎn)品系列齊全、溫度范圍不同，以可靠性高、性價(jià)比高和應(yīng)用方便引導(dǎo)微控制器的發(fā)展L3s訓(xùn)。MC9s12DG128單片機(jī)的總線頻率為8MHz,具有256KHFlash程序存儲(chǔ)需12KB的RAM存儲(chǔ)器、4KB的EEPROM,可以完成］6位乘法和32位除1