電動(dòng)汽車(chē)電機(jī)控制工作原理及優(yōu)化方案

電動(dòng)汽車(chē)電機(jī)控制工作原理及優(yōu)化方案新能源汽車(chē)的三電是指：動(dòng)力電池、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、整車(chē)電控。三電是新能源汽車(chē)的核心，在動(dòng)力電池技術(shù)的發(fā)展上，不時(shí)有新技術(shù)與新熱點(diǎn)出現(xiàn)。在電控領(lǐng)域，我們的發(fā)展一直處于比較初級(jí)的階段。電控效率的提升，能顯著提升純電動(dòng)汽車(chē)的整車(chē)經(jīng)濟(jì)性。電控，廣義上電控有整車(chē)控制器、電機(jī)控制器與電池管理系統(tǒng)。本文介紹電機(jī)控制的的工作原理及優(yōu)化方案。01.電機(jī)控制器電機(jī)控制器是連接電機(jī)與電池的神經(jīng)中樞，用來(lái)調(diào)校整車(chē)各項(xiàng)性能，足夠智能的電控不僅能保障車(chē)輛的基本安全及精準(zhǔn)操控，還能讓電池和電機(jī)發(fā)揮出充足的實(shí)力。02.電機(jī)控制器的工作過(guò)程電機(jī)控制器單元的核心，便是對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制。動(dòng)力單元的提供者--動(dòng)力電池所提供的是直流電，而驅(qū)動(dòng)電機(jī)所需要的，則是三項(xiàng)交流電。因此，電控單元所要實(shí)現(xiàn)的，便是在電力電子技術(shù)上稱(chēng)之為逆變的一個(gè)過(guò)程，即將動(dòng)力電池端的直流電轉(zhuǎn)換成電機(jī)輸入側(cè)的交流電。為實(shí)現(xiàn)逆變過(guò)程，電控單元需要直流母線(xiàn)電容，IGBT等組件來(lái)配合一起工作。當(dāng)電流從動(dòng)力電池端輸出之后，首先需要經(jīng)過(guò)直流母線(xiàn)電容用以消除諧波分量，之后，通過(guò)控制IGBT的開(kāi)關(guān)以及其他控制單元的配合，直流電被最終逆變成交流電，并最終作為動(dòng)力電機(jī)的輸入電流。如前文所述，通過(guò)控制動(dòng)力電機(jī)三項(xiàng)輸入電流的頻率以及配合動(dòng)力電機(jī)上轉(zhuǎn)速傳感器與溫度傳感器的反饋值，電控單元最終實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制。下圖是一個(gè)典型的純電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)電氣圖，其中藍(lán)色線(xiàn)是低壓通訊線(xiàn)，所有通訊、傳感器、低壓電源等等都要通過(guò)這個(gè)低壓接頭引出，連接到整車(chē)控制器和動(dòng)力電池管理系統(tǒng)。紅色線(xiàn)為高壓動(dòng)力線(xiàn)。兩對(duì)高壓接口。一對(duì)輸入接口，用于連接動(dòng)力電池包高壓接口；另外一對(duì)是高壓輸出接口，連接電機(jī)，提供控制電源。電機(jī)工作原理的不同，直接影響調(diào)控過(guò)程的復(fù)雜程度和精確性。按照控制從易到難排列，分別是直流無(wú)刷電機(jī)，永磁同步電機(jī)，開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)，異步電動(dòng)機(jī)。電控的難易，既包括硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的規(guī)模大小、造價(jià)高低，也包括軟件算法實(shí)現(xiàn)的控制精度高低和為了達(dá)到這個(gè)精度所采用的策略和方法的魯棒性的好壞。人們期待得到的是硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，軟件算法簡(jiǎn)潔，控制精度高，系統(tǒng)穩(wěn)定性好的控制系統(tǒng)。03.電機(jī)控制器主電路選擇選擇依據(jù)：電機(jī)控制器作為一部特定功能的逆變器，它利用電力電子技術(shù)中的調(diào)壓調(diào)頻技術(shù)，將動(dòng)力電池中存儲(chǔ)的直流電，調(diào)制成控制電機(jī)所需的矩形波或者正玄波交流電，改變輸出電力的電壓、電流幅值或者頻率，進(jìn)而改變電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩，達(dá)到控制整車(chē)速度、加速度的目的。電力電子電路設(shè)計(jì)，根據(jù)不同的調(diào)速需求，做出復(fù)雜程度不同，造價(jià)也不同的設(shè)計(jì)。例如針對(duì)直流電機(jī)的控制。若采用單管斬波器電路，只能單向調(diào)速，電流不能換向；若采用雙管斬波器電路，可以實(shí)現(xiàn)能量回饋動(dòng)作，但是還是不能使得直流電機(jī)換向；若采用H橋型斬波電路，可以直流電機(jī)調(diào)速，可以能量回饋，可以勵(lì)磁電流可以反轉(zhuǎn)。但是以上的三個(gè)選擇，一個(gè)比一個(gè)復(fù)雜，一個(gè)比一個(gè)造價(jià)高。需要設(shè)計(jì)者在性能和成本之間做出選擇，最貴的不一定是最好的，最適合的才好。04.分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)集成式控制分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)可控性好、傳動(dòng)鏈短、結(jié)構(gòu)緊湊、車(chē)內(nèi)空間利用率高等優(yōu)點(diǎn)，一直是研發(fā)的焦點(diǎn)。而且各個(gè)車(chē)輪的驅(qū)動(dòng)電機(jī)均能獨(dú)立控制，通過(guò)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的合理分配，充分利用電機(jī)高效區(qū)間，并結(jié)合回饋制動(dòng)策略，能夠提高車(chē)輛的經(jīng)濟(jì)性。為了提升控制系統(tǒng)對(duì)于車(chē)輛參數(shù)、狀態(tài)以及車(chē)輛行駛環(huán)境適應(yīng)性，需要設(shè)計(jì)滿(mǎn)足控制需求的狀態(tài)估計(jì)與參數(shù)辨識(shí)算法，同時(shí)保證控制-估計(jì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，而分布式驅(qū)動(dòng)為車(chē)輛狀態(tài)估計(jì)算法提供了更大的可能。為了保證分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)在復(fù)雜工況下的良好行駛性能，解決多控制目標(biāo)、多控制功能、多執(zhí)行器和多維運(yùn)動(dòng)的協(xié)調(diào)問(wèn)題，集成控制成為分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力學(xué)控制當(dāng)前的研究重點(diǎn)。傳統(tǒng)的獨(dú)立設(shè)計(jì)的控制器有各自明確的控制目標(biāo)。但是各系統(tǒng)間存在一定程度上的功能重疊和干擾，因此，多個(gè)執(zhí)行系統(tǒng)的動(dòng)作分配和多個(gè)控制目標(biāo)的協(xié)調(diào)便是系統(tǒng)集成控制策略的關(guān)鍵。

集成控制系統(tǒng)架構(gòu)05.電控系統(tǒng)效率優(yōu)化技術(shù)電控系統(tǒng)效率提升1%，對(duì)整車(chē)經(jīng)濟(jì)性以及重量都很有優(yōu)勢(shì)，效率優(yōu)化技術(shù)包括載頻動(dòng)態(tài)調(diào)整、DPWM發(fā)波技術(shù)、過(guò)調(diào)制技術(shù)、廣域高效HSM電機(jī)。載頻動(dòng)態(tài)調(diào)整技術(shù)電控系統(tǒng)最主要的損耗來(lái)源是逆變器部分，逆變器損耗70%來(lái)自開(kāi)關(guān)部分。從開(kāi)關(guān)損耗角度降低，研究了載頻動(dòng)態(tài)調(diào)整技術(shù)。通過(guò)仿真試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，調(diào)整開(kāi)關(guān)頻率后，控制器效率最大可以提升2%左右，使用動(dòng)態(tài)載頻率技術(shù)，尤其是在低轉(zhuǎn)速，對(duì)載頻要求不那么高的時(shí)候，調(diào)整載頻可以有效降低控制器的損耗，提供控制器的效率，初步預(yù)計(jì)每100公里可以提供1.5公里左右，載頻不能無(wú)限制下調(diào)，還需要考慮整車(chē)噪音和電機(jī)控制的需要。DPWM發(fā)波技術(shù)應(yīng)用不連續(xù)發(fā)波的技術(shù)應(yīng)用，采用DPWM技術(shù)比COWM技術(shù)減少1/3的開(kāi)關(guān)次數(shù)，可以顯著降低開(kāi)關(guān)次數(shù)，達(dá)到減少開(kāi)關(guān)損耗的目的。當(dāng)調(diào)制比M>0.816，CPWM和DPWM調(diào)制下的諧波近似相同。此區(qū)域可采用DPWM技術(shù)以降低器件損耗。過(guò)調(diào)制技術(shù)應(yīng)用控制器損耗包括開(kāi)關(guān)損耗和導(dǎo)動(dòng)損耗。導(dǎo)動(dòng)損耗與輸出電流有很大關(guān)系，輸出功率一定的情況下，輸出電流降低對(duì)應(yīng)輸出電壓需要相應(yīng)提高。通過(guò)加入過(guò)調(diào)制，能有效提高弱磁區(qū)輸出功率和輸出轉(zhuǎn)矩，提高輸出電壓4%，峰值功率對(duì)應(yīng)提高4%左右，改善整車(chē)在高速的動(dòng)力性能；通過(guò)加入過(guò)調(diào)制，輸出相同功率，電流會(huì)明顯降低，能減小系統(tǒng)發(fā)熱，提高控制器的過(guò)載能力，改善整車(chē)動(dòng)力性能；通過(guò)加入過(guò)調(diào)制，能有效提高基波電壓，與沒(méi)有過(guò)調(diào)制相比，可以有效提高電機(jī)效率，電機(jī)電流能明顯減?。?~8%），效率提高可以有效延長(zhǎng)續(xù)航里程。廣域高效HSM電機(jī)除了電控效率提升，還包括電機(jī)效率提升。HSM電機(jī)混合同步電機(jī)，相比IPM電機(jī)可以兼顧低速區(qū)效率和高速區(qū)效率。HSM尤其在中高速恒功率運(yùn)行區(qū)域內(nèi)，效率優(yōu)勢(shì)更加明顯。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在低速區(qū)、高速區(qū)，HSM效率高于常規(guī)IPM電機(jī)，總體來(lái)看使用HSM技術(shù)之后可以提高電機(jī)效率。在公交車(chē)與團(tuán)體車(chē)工況下，IPM與HSM電機(jī)進(jìn)行對(duì)比，HSM電機(jī)占優(yōu)勢(shì)?？紤]整車(chē)工況的綜合能效定向優(yōu)化技術(shù)，通過(guò)調(diào)整電機(jī)各損耗分量比例，實(shí)現(xiàn)效率的定向優(yōu)化，結(jié)合具體車(chē)型路況信息，定制化開(kāi)發(fā)綜合能效更高的電機(jī)，提高續(xù)航里程。06.