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1汽车新能源应用技术何洪文副教授车辆重点实验楼511房间010-68914842hwhebit@bit.edu.cn研究生学位课汽车新能源应用技术第五章新能源汽车的动力传动技术研究生学位课课时要点电动汽车的电机驱动系统直流电机驱动系统续流加增磁绕组电机驱动系统三相异步感应电机驱动系统永磁电机驱动系统开关磁阻电机驱动系统几种电机驱动系统分析比较概述电源变换器直流电源控制电路控制器驱动电机及其控制系统把电能转化为机械能来驱动车辆,是电传动车辆的关重系统之一。它在电传动车辆上的任务是:在驾驶操纵控制下,将内燃机-发电机系统、动力电池组的电能转化为车轮的动能驱动车辆,并在车辆制动时把车辆的动能再生为电能反馈到动力电池中以实现车辆的再生制动。电动机2概述恒转矩区恒功率区转速转矩低速高转矩汽车起步快低速爬坡性能好高速大功率最高车速高高速超车性能好宽恒功率调速区电机的成本低体积小、重量轻适应汽车的空间布置能量效率高节能基本评价标准重量比功率=峰值功率/电机重量系统效率概述电动汽车电机驱动系统的特点如下:以电磁转矩为控制目标,油门和制动踏板的开度是电磁转矩给定的目标值,要求转矩响应迅速,波动小;电动汽车要求驱动电机要有较宽的调速范围,最高转速是基速的2倍以上,电机能在四象限内工作;为保证加速时间,要求电机低速时有大的转矩输出和较大的过载倍数,峰值转矩一般为额定转矩的2倍以上,峰值功率一般为额定功率的1.5倍以上,且峰值转矩和峰值功率的工作时间一般要求5分钟以上,为保证汽车能跑到最高车速,要求电机高速区处有一定的功率输出;驱动系统高效,电磁兼容性好,易于维护;良好的可靠性、耐温和耐潮湿,可以在恶劣的环境条件下长时期运转,结构简单,适合批量生产。概述在电动汽车上,目前常用的驱动系统有四种:直流电机(DCMotor)驱动系统.电机控制器一般采用脉宽调制(PWM)斩波控制方式;交流感应电机(ACIM)驱动系统.电机控制器采用PWM方式实现高压直流到三相交流的电源变换,采用变频调速方式实现电机调速,采用矢量控制或直接转矩控制策略实现电机转矩控制的快速响应;永磁同步电机驱动系统.包括正弦波永磁同步电机(PMSM)及其控制系统和矩形波无刷直流电机(BDCM)及其控制系统,由于前者低速转矩脉动更小且高速恒功率区调速更稳定,因此比后者具有更好的应用前景,正弦波永磁同步电机(PMSM)及其控制系统中的电机控制器采用PWM方式实现高压直流到三相交流的电源变换,采用变频调速方式实现电机调速;概述在电动汽车上,目前常用的驱动系统有四种:开关磁阻(SR)电机驱动系统.转子无永磁体或绕组设计,控制方式类似步进电机控制,可以认为是大步距角、利用磁阻效应控制的功率型驱动电机系统.新型电机驱动系统续流增磁电机及其控制系统.结合永磁直流电机高效和串励电机大转矩的特点,电机采用永磁加增磁绕组复合励磁方式,增磁绕组接到电机控制系统的续流回路中,电机低速时利用续流增磁输出大转矩,电机高速时增磁绕组自动提速,电机及其控制系统与车辆驱动需求能得到很好的匹配,且系统具有效率高和转速-转矩全部工作范围的高效工作区宽的特点。3概述电动汽车电机驱动系统电机的主要性能参数:额定电压-在额定运行时,电动机定子或转子绕组应输入的电压值;额定电流-在额定电压下,电动机轴上输出的机械功率为额定功率时,电动机定子或转子绕组通过的线电流值;额定转速-在额定电压输入下,以额定功率输出时对应的电动机输出转速;额定转矩-电机在额定功率和额定转速下的输出转矩;额定功率-在额定条件下,电动机轴上输出的机械功率;额定效率-在额定运行时电动机轴上输出的机械功率与电动机在额定运行时电源输入到电动机的功率之比值;电机及控制器整体效率-电机转轴输出功率除以控制器输入功率;概述电动汽车电机驱动系统电机的主要性能参数:最高工作转速-相应于电动汽车最高设计车速的电机转速最高机械转速-在无带载条件下,电机允许旋转的最高转速;峰值功率-在规定的时间内,电机允许输出的最大输出功率;峰值转矩-电机在规定的持续时间内允许输出的最大转矩;堵转转矩-电机转子在所有角位堵住时所产生的转矩最小测得值概述电动汽车电机拖动系统emLddTTJtω−=()3322em3322g0Tg0Tg0T6.72100.105dsincosdmgrrnmrnTfiiiiiitδααηηη−⎡⎤×−+⋅+=⎢⎥⎢⎥⎣⎦较高1–1.5kW/kg较低0.2kW/kg功率密度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快速的力矩相应控制,动态性能较好动态性能要求不高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车辆应用工业应用项目概述4VD1VD2VT1VT2Us概述电动汽车直流电机驱动系统概述电流、电压、温度监测信号驱动控制单元电源正极24V电源CAN总线实时监测信号电机转速、位置、温度信号功率半导体驱动信号ABCABCMM主回路电源正极电机转速、位置、温度信号电动汽车交流电机驱动系统概述电动汽车电机驱动系统上电逻辑(预充电路)功率MOSFET(功率场效应管)开关频率很高栅极输入阻抗高,不取电流,即电压控制型导通呈电阻型,小电流时损耗小。不足之处:电流容量较小。概述电力电子器件5IGBT(绝缘栅双极性晶体管)IGBT结合了功率晶体管GTR和功率MOSFET各自的优点,具有MOSFET高阻抗控制=门,门极不取控制电流,它还具有GTR低通态损耗的优点;通态电压低、耐压高IGBT开关时间500ns,实际应用开关频率可到20kHz,MOSFET开关时间小于100ns,实际应用开关频率能达到500kHz以上。概述电力电子器件IGBT如何优于功率MOSFET,取决于它们作为功率开关器件时通过其电流有多大,功率MOSFET通态阻抗一定,其压降随着电流的增大而线性增大,而IGBT通态压降基本一定,不因电流变化而明显改变,因此大电流时,IGBT的损耗低于MOSFET。概述电力电子器件课时要点概述直流电机驱动系统续流加增磁绕组电机驱动系统三相异步感应电机驱动系统永磁电机驱动系统开关磁阻电机驱动系统几种电机驱动系统分析比较直流电机驱动系统直流电机工作原理示意图sin()FBliθ=左手6直流电机驱动系统直流电机结构组成定子:机座、主磁极、端盖、电刷、换向极;转子:电枢铁芯、电枢绕组、换向器、转轴、风扇;定子与转子之间存在空隙直流电机驱动系统直流电机的励磁方式他励电机励磁线圈与转子电枢的电源分开;并励电机励磁线圈与转子电枢并联到同一电源上;串励电机励磁线圈与转子电枢串联在同一电源上;复励电机励磁线圈与转子电枢的连接有串有并,接在同一电源上直流电机驱动系统直流电机的基本方程电枢中感应电动势nCEe⋅=φ电枢电压平衡方程tiLRIEUaaadd++=电磁转矩方程maTMCIφ==直流电机驱动系统直流电机稳态转矩-转速特性2mmeaaCUCCTnRRφφ=−()22meameCCUTRCCn=+7直流电机驱动系统直流电机的调速特性要求恒转矩区恒功率区转速转矩nCEe⋅=φmaTMCIφ==低于额定转速,电枢电流和励磁电流被设定为其额定值,产生额定转矩;在额定转速时,电枢电压达到其额定值;恒功率区,弱磁控制,且反电动势和电枢电流必须保持不变。直流电机驱动系统etftteeE=CφnU=E+IRT=CφIφ=kICEIEP=Tn=CφI=CφC EfII直流电机驱动系统降压斩波控制EV+-MRLVDioEuoiG直流电机驱动系统降压斩波控制tttOOOTEiGtontoffioi1i2I10I20t1uottUEEEttTδ===+ononoonoff固定频率控制TRC:T保持不变;变频TRC:保持导通时间不变;限流控制CLC:负载电流控制在特定的范围内。8直流电机驱动系统升压斩波控制EVRLVDCioi1iGuo直流电机驱动系统升压斩波控制a)b)iGioI1OOttEtTEtttUoffoffoffono=+=ttTEiOOi1i2I10I20I10tontoffuo直流电机驱动系统升压斩波控制1.11.10051.1011.10151.1021.10251.1031.10351.1041.10451.105152025303540VSVOiLiR直流电机驱动系统9直流电机驱动系统直流电机控制器由两只IGBT功率管VT1、VT2,两只反并联的功率二极管VD1、VD2、滤波电容C、直流电机M和动力蓄电池Ud组成;控制电路通过控制VT1、VT2的栅极开关信号,即脉宽调制PWM的方法实现对电机的控制。直流电机驱动系统电动汽车直流电机控制器当电机处于电动时,关断VT1管,在VT2管上施加PWM脉冲信号。当电机处于制动回馈时,关断VT2管,在VT1管上施加PWM脉冲信号。电动汽车的油门和制动踏板给定的是转矩信号,电机控制器实现的是转矩闭环控制,通过调节占空比来控制电枢电压,从而控制电磁转矩。直流电机驱动系统思考问题:直流电机驱动系统反转?nCEe⋅=φ方法一:改变电枢供电电压极性用接触器切换供电电压极性;方法二:改变励磁绕组的供电电压极性注意:通过改变励磁极性,可以改变电机的正反装,但工程中是不采用这种方法的,因电枢在加电压之前必须先建立稳定、可靠的磁场,磁场绕组的电感很大,也不宜频繁改变励磁极性。直流电机驱动系统思考问题:直流电机驱动系统反转?ELR+-V1VD1uoV3EMV2VD2ioV4VD3VD4M10直流电机驱动系统直流电机传递函数aaaaaaLpiRiUE+=−eTaTaTCikiΦ==aeEECnknΦ==eLJpTTω=−aa1kR=aaaTLR=直流电机驱动系统直流电机传递函数直流电机驱动系统直流电机驱动系统的特点优点:直流电机驱动系统具有成本最低、易于平滑调速、控制器简单、技术成熟。缺点:直流电机在运行过程中需要电刷和换向器换向,电刷需要定期维护,造成了使用的不便;换向器和电刷制约了直流电机的转速,电机本身的体积大、重量大;课时要点概述直流电机驱动系统续流加增磁绕组电机驱动系统三相异步感应电机驱动系统永磁电机驱动系统开关磁阻电机驱动系统几种电机驱动系统分析比较11续流加增磁绕组电机驱动系统转速励磁电流…N-SM励磁调节器+-•永磁磁场+绕组励磁磁场…N-SM+-低速自动增磁提高扭矩高速自动弱磁提速不需要附加励磁调节装置不需要额外能量;提高效率、降低成本、增加了可靠性。将增磁绕组接入续流回路:268126830626837921xxxI)S(IIMMM−××+=+=nC.I)S(nCRISVexeaxEΦ×−+Φ+=807402681续流加增磁绕组电机驱动系统永磁励磁时电机输出特性TpnnnIGBT0VIT续流增磁大幅提高低速扭矩续流加增磁绕组电机驱动系统续流加增磁绕组电机驱动系统12续流加增磁绕组电机驱动系统驱动时,U2中的IGBT一直关断,电源开关K1合上后,踩下电动大客车速踏板给控制单元CONTRL提供加速信号ACCE后,CONTRL给出控制信号S1,控制K2主触点闭合,接通电池组BATT高压电源,CONTRL发出高频脉冲信号S3,通过DRIVE1驱动,控制U1中的IGBT处在高频PWM开关状态,导通角大小根据U4的电流反馈信号S4自动调节,调节原则是确保驱动电枢电流i的大小与ACCE信号大小相对应,以实现电传动车辆驱动电机的输出驱动转矩的控制。在U1中的IGBT导通时,驱动电流由电池组BATT的正极通过K1、F1、U0、K2、U1中的IGBT、U4到电机电枢的正极,再由电机电枢的负极流出到BATT的负极。在U1中的IGBT关断时,电机电枢电流经过由增磁绕组L1和U2中的反并联二极
本文标题:汽车新能源技术新能源_07
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