电动汽车用电机控制器设计方法与实践

Kinway&DajunConfidential,Pleasedonotdistributewithoutwrittenpermit电动汽车用电机控制器的设计方法与实践徐性怡博士上海大郡自动化系统工程有限公司2009.6.15Kinway&DajunConfidential,Pleasedonotdistributewithoutwrittenpermit内容提要1.电动汽车用电机控制系统的构成与设计认证流程2.电动汽车应用对电机及其控制器的特殊要求3.电机驱动系统设计要点4.电力电子控制器的设计要点5.电力电子控制器的发展趋势6.结语Kinway&DajunConfidential,Pleasedonotdistributewithoutwrittenpermit中国电动汽车的发展前景•历史性机遇–汽车动力电气化已成为汽车技术发展的趋势–“节能减排”的国策鼓励电动汽车及混合动力汽车的大发展•电动汽车发展所面临的挑战ChallengesforEV/HEV–电动汽车技术仍有待于完善，尤其是关键零部件如电池和电机制约了电动汽车的发展进程；–电动汽车市场受到产品可靠性、成本等因素的制约，需要一段成长周期–油价下降影响消费者对新能源汽车的积极性•市场将在未来3-5年逐步上量Kinway&DajunConfidential,Pleasedonotdistributewithoutwrittenpermit电动汽车/混合动力用电机系统举例牵引电机60~147kW曲轴集成启动发电机(CISG)~15kW皮带驱动启动发电机(BISG)3~6kW电动空调~6kW电动油泵~80W冷却水泵~40W电池冷却风扇~40WHEV发电机40~105kWKinway&DajunConfidential,Pleasedonotdistributewithoutwrittenpermit混合动力系统实现方案BatteryTrans.ISGIPUMildHEVBatteryTrans.TractionMotorISGIPUSeriesHEV/Plug-inBatteryTrans.TractionMotorISGIPUParallelHEV/Plug-inKinway&DajunConfidential,Pleasedonotdistributewithoutwrittenpermit中国电动/混合动力系统发展趋势•近期内ISG系统是主打产品•随着电池技术（特别是锂离子电池）的快速发展，纯电动和Plug-in系统将得到重点关注和快速发展•鉴于电池发展的不确定性，采用双电机系统的强混合动力汽车将占据一定的比例，并根据电池成熟程度，往Plug-in靠拢Kinway&DajunConfidential,Pleasedonotdistributewithoutwrittenpermit电动汽车/混合动力汽车用电机系统举例强混合动力双电机系统示意图中度混合集成启动发电机ISG系统(Honda)Kinway&DajunConfidential,Pleasedonotdistributewithoutwrittenpermit电动汽车用电机驱动系统典型结构-ViVoVi电机传感器数字控制器电力电子逆变器变速箱电池Kinway&DajunConfidential,Pleasedonotdistributewithoutwrittenpermit汽车产品设计方法：复杂系统的分解设计与验证系统设计要求与限制条件系统分解子系统要求与限制系统DVP系统分析系统设计子系统设计子系统DVP子系统设计子系统测试系统集成与测试设计完成设计过程认证过程Kinway&DajunConfidential,Pleasedonotdistributewithoutwrittenpermit汽车电机与普通工业电机之比较较高（1–1.5kW/kg）较低（0.2kW/kg）功率密度极高：既要性能好，又要价格便宜一般总体性价比很高以保障乘车者安全较高以保证生产效率可靠性要求需要精确的力矩控制，动态性能较好多为变频调速控制，动态性能较差控制性能通常为水冷（体积小）通常为风冷（体积大）冷却方式温度变化大（-40~+105oC);震动剧烈;环境温度适中（-20~+40oC);静止应用，震动较小工作环境布置空间有限，必须根据具体产品进行特殊设计空间不受限制，可用标准封装配套各种应用封装尺寸汽车应用工业应用项目Kinway&DajunConfidential,Pleasedonotdistributewithoutwrittenpermit汽车电机驱动系统系统功能：机电能量转换关键子系统:•电池作为电源或负载（储电装置）•汽车/发动机作为机械负载或机械能量源•电机作为双向机电能量转换装置•逆变器作为交直流电能转换装置•控制器作为上述能量转换的控制装置IB+_VBIbIaIcTωElectricmachineInverterControllerElectricalsystemMechanicalsystemEnergyconversioinMotoringGeneratingKinway&DajunConfidential,Pleasedonotdistributewithoutwrittenpermit电机可兼作电动和发电运行电动模态–电机将电能转换成机械能:•逆变器从电池获取功率，电池放电:PB=VB*IB0；•电机从逆变器获取电功率:Pem=3*V*I*cos(q)=Ki*PB0•电机输出机械能:Pme=T*w=Km*Pem=Ki*Km*PB0，电机扭矩与转速同向，电机推动车辆发电模态–电机将机械能转换成电能:•车辆带动电机，电机力矩与转速反向，轴上输入机械能:Pme=T*w0•电机输出电能:Pem=Km*Pme=3*V*I*cos(q)0•逆变器输出直流电:PB=Ki*Pem=Ki*Km*Pme0,电池充电工作模态IB+_VBIbIaIcTωElectricmachineInverterControllerElectricalsystemMechanicalsystemEnergyconversioinMotoringGeneratingKinway&DajunConfidential,Pleasedonotdistributewithoutwrittenpermit电机驱动系统的功率限制因素IB+_VBIbIaIcTωElectricmachineInverterControllerElectricalsystemMechanicalsystemEnergyconversioin•整个机电系统的功率转换以串联的形式实现•系统功率有转换过程中功率最小的环节决定•电池功率由电池的电压和电流能力决定•逆变器的功率由功率半导体器件（IGBT或MOSFET）的电压和电流能力以及散热能力决定•电机的功率由电机散热能力决定Kinway&DajunConfidential,Pleasedonotdistributewithoutwrittenpermit电机驱动系统特性•电机大小取决于输出力矩（而不是功率）以及散热能力•就一给定电机而言，在不考虑散热限制的前提下：–电机的低速下最大力矩输出取决于逆变器的电流能力–高速下输出力矩能力受制于逆变器的电压–最大输出功率由逆变器的KVA决定•评估一个电机驱动系统的指标：–最大输出力矩与转速的曲线（外特性）：–恒功率调速范围–效率分布图（Efficiencymap）而非某一点最高效率–电机输出功率kW与逆变器KVA之比–力矩密度(Nm/(A-T)/m3)Torque-speedcurve00.20.40.60.811.200.511.522.533.544.5Speed(p.u.)Torque/power(p.u.)LimitedbyvoltageLimitedbycurrentKinway&DajunConfidential,Pleasedonotdistributewithoutwrittenpermit电动汽车应用对电机系统的要求•结构紧凑、尺寸小•重量轻•可靠性高、失效模式可控•效率高•成本低•低噪声、低震动•恒功率调速范围宽峰值力矩恒力矩区恒功率区峰值功率转速力矩坡上起动加速性能高速超车Kinway&DajunConfidential,Pleasedonotdistributewithoutwrittenpermit电机系统设计过程明确整车对电机系统的设计需求•功能、性能•工作环境•封装尺寸•冷却方式及散热能力•软件接口•测试标准机械封装设计•电机封装•控制器封装电机设计•电磁设计•散热设计•结构设计•传感器布置•工艺设计•测试设计控制器硬件设计•功率电路•控制电路•结构/散热•EMC•工艺•测试控制器软件设计•底层控制•应用控制•诊断/保护•维修/更新•测试系统集成设计•系统参数标定•系统集成测试方法Kinway&DajunConfidential,Pleasedonotdistributewithoutwrittenpermit系统设计难点与选择•封装设计（机械安装结构、散热安排）•电机类型的选择与比较•电机与减速机/变速箱的集成•直流母线电压的影响•成本的挑战Kinway&DajunConfidential,Pleasedonotdistributewithoutwrittenpermit封装设计•机械结构趋势：提高集成度–电机与减速机构集成–控制器集成•散热选择–风冷–水冷–油冷+水冷Kinway&DajunConfidential,Pleasedonotdistributewithoutwrittenpermit电机的选择：常用交流无刷电机类型AxByzCNS感应电机开关磁阻电机永磁电机永磁电机是电动汽车尤其是乘用车的主流技术•尺寸小•效率高Kinway&DajunConfidential,Pleasedonotdistributewithoutwrittenpermit表贴式永磁同步电机的特点rpmsrTsrTsrIKIKTλγλλλ==×=)sin(rrrersrsKIVλωω+≈优缺点：•力矩密度高•效率较高•弱磁困难–恒功率调速范围窄理想电机输出力矩要求永磁同步电机输出特性曲线电机端电压理想电机的端电压特性AxByzCNSKinway&DajunConfidential,Pleasedonotdistributewithoutwrittenpermit拓展恒功率调速区域：降低磁场强度rpmsrTsrTsrIKIKTλγλλλ==×=)sin(rrrersrsKIVλωω+≈V1V2好处：•可以达到调速要求•最高转速下反电势不高，失效模式比较安全坏处：•要求较大容量的逆变器（超载系数=V1/V2）•系统成本较高理想电机输出力矩要求永磁同步电机输出特性曲线电机端电压理想电机的端电压特性Kinway&DajunConfidential,Pleasedonotdistributewithoutwrittenpermit拓展恒功率调速区域：增加电机电感srTsrTsrIKIKTλγλλλ==×=)sin(rrrerssrsKILVλωω+≈好处：•可以达到调速要求坏处：•降低了功率因素，增加了逆变器的KVA•系统成本较高•最高转速下反电势很高，故障时失效模式不安全+-VsEIXI*XVsIEVsEII*XKinway&DajunConfidential,Pleasedonotdistributewithoutwrittenpermit磁阻同步电机工作原理及特性AxByzCλsqdTKLLIIdqdq=−())(qqddrILILKV+≈ωrpm优缺点：•弱磁容易•效率较高•力矩密度不易做大•由于饱和非线性，控制复杂Kinway&DajunConfidential,Pleasedonotdistributewithoutwrittenpermit永磁-磁阻同步电机NS+=Kinway&DajunConfidential,Pleasedonotdi