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驱动系统

驱动系统是电动汽车最主要的系统之一。电动汽车运行性能的好坏主要是由其驱动系统决定的。电动汽车驱动系统由牵引电机、电机控制器、机械传动装置、车轮等构成。它的储能动力源是电池组。电机控制器接收从加速踏板(相当于燃油汽车的油门)、刹车踏板和PDRN(停车、前进、倒车、空档)控制手柄的输出信号,控制牵引电机的旋转,通过减速器、传动轴、差速器、半轴等机械传动装置(当电动汽车使用电动轮时机械传动装置有所不同)带动驱动车轮。车辆减速时,电机对车辆前进起制动作用,这时电机处在发电机运行状态,给储能动力源充电,称之为再生制动。动力驱动系统的再生制动功能是非常重要的,它能使电动汽车一次充电后行驶的里程增加15~25%。

电动汽车动力驱动系统是能量存储系统与车轮之间的纽带,其作用是将能量存储系统输出的能量(化学能、电能)转换为机械能,推动车辆克服各种滚动阻力、空气阻力、加速阻力和爬坡阻力,制动时将动能转换为电能回馈给能量存储系统。现代电动汽车与传统的燃油汽车不同,其动力驱动系统可以省去复杂笨重的机械齿轮变速机构就能提供满足车辆行驶速度范围宽和负载变化大的转矩转速特性,即低速恒转矩和高速恒功率,其理想的转矩/转速特性见图1。

电动汽车可选择单电机或双电机驱动,也可采用轴式电机或轮式电机。目前在市场上销售的小功率电动汽车如电动轿车中,都采用结构简单的单电机动力驱动系统,而中、大功率电动汽车如电动客车一般采用单电机或双电机结构动力驱动系统。

电动汽车动力驱动系统根据电机电流类型可分为交流驱动系统(ACDrives)和直流驱动系统(DCDirves),交流驱动系统又可分为感应电机驱动系统(IMDrives)和同步电机驱动系统(SMDrives),同步电机驱动系统又可分为永磁同步电机驱动系统(PMSMDrives)和开关磁阻电机驱动系统(SRMDirves)。当前商业化电动汽车中应用的动力驱动系统有三类:直流驱动系统、感应电机驱动系统和永磁同步电机驱动系统,代表产品分别有标致106EV、通用EVI和本田EVlPus。随着电力电子技术、微电子技术和控制技术的发展,数字化交流驱动系统(IMDrives和PMSMDrives)在商业化电动汽车中独占鳌头,而小功率电动汽车方面,质量轻、体积小和高效的pMsMDives发展前景好。

①直流电机驱动系统。该系统中的电机为有刷直流电机,电机控制器一般采用斩波器控制方式;

②感应电机交流驱动系统。该系统中的电机一般采用转子为鼠笼结构的三相交流异步电机,电机控制器用矢量控制的变频调速方式;

③永磁同步电机交流驱动系统。其中的永磁同步电机包括无刷直流电机(BDCM)和三相永磁同步电机(PMSM)。

在上述三类驱动系统中,PMSM或BDCM的永磁同步电机交流驱动系统效率最高、体积最小、重量最轻,也无直流电机的换向器和电刷等缺点,在电动汽车中也得到了一定的应用。但该类驱动系统目前还存在成本太高的缺点,在可靠性和使用寿命等指标上也比感应电机差,另外,对于功率较大的PMSM和BDCM要做到体积小、重量轻尚存在一定的技术难度。我国是盛产永磁材料的国家,特别是稀土永磁材料钦铁硼资源在我国非常丰富,随着技术不断进步与成本不断降低,永磁同步电机驱动系统在电动汽车上的应用也具有很好的前景。

电机是电动汽车的驱动单元,它的技术性能直接影响车辆运行的动力性和经济性,所以需要通过计算机辅助设计,对电机的电磁场、温度场和应力场进行有限元分析,选择设计符合电动汽车运行要求的电机,具有调速范围宽、起动转矩大、后备功率高、效率高、功率密度大和可靠性高的特性。如对感应电机,要求提高额定工作点(基频100Hz以上)和工作电流密度,降低铜耗(高导电率材料)和铁耗(高磁导率)。而且,电机采用液体冷却提高热容量,减少体积和质量。电机技术与电力电子技术、微电子技术和控制技术完美结合,最后发展成为可靠、易维护、高功率密度、高集成度的智能电机。

牵引电机种类多,应用在电动汽车上的电机主要包括直流电机、鼠笼式感应电机、永磁同步电机(包括永磁无刷直流电机)和开关磁阻电机。

直流电机具有调速性能好平滑和精确、控制简单、成本低、笨重和维护性差等特点。串励式直流电机起动转矩高和宽恒功率调速范围,适合在牵引领域应用。直流电机的调速方式有电枢变阻、电枢调压和改变磁通三种。电力电子技术和微电子技术的发展使得直流斩波技术在现代直流调速中飞速发展,PWNI式IGBT斩波器流行,使得直流电机的功率因数、工作效率(80%~90%)、动态性能和转矩脉动性得到明显改善。法国是世界上直流电机电动汽车较多的国家,而目前国内永磁直流牵引电机倍受重视。例如1998年北京理工大学研制了125kW的大功率永磁直流电机动力驱动系统,在北京试运行良好。

鼠笼式感应电机(以下简称为感应电机)是最常用的感应电机,具有可靠、易维护、价廉、效率较高(90%以上)、比功率较高(1kW/kg左右)和功率因素变化大等特点。感应电机的基本调速方式有调压调速、变极调速和变频调速三种。目前基于IGBT的PWM式VVVF控制应用广泛,动静态性能优良的矢量控制可与直流调速相媲美,而控制简单动态性能好的直接转矩控制在机车牵引等领域显示了广阔的应用前景。在牵引控制中,为了获得宽调速范围,感应电机控制一般分为三个阶段:

(1)保持转差不变,调节定子电流,获得恒转矩区;

(2)保持定子额定电压不变,调节定子电流,获得恒功率区;

(3)保持定子额定电压不变,调节转差,获得低转矩高速区。

感应电机是电动汽车牵引电机的主要类型之一,一般采用效率优化的转差频率矢量控制方法。

永磁同步电机具有高比功率(可以远大于1kW/kg)、高效率(可达到97%)、高功率因素和高成本等特点。永磁同步电机根据定子电流波形的不同可分为矩形波永磁同步电机和正弦波永磁同步电机,而矩形波永磁同步电机又称为永磁无刷直流电机;根据转子磁路结构可分为表面式和内置式,表面式永磁同步电机的Ld和Lq;几乎相等,而内置式永磁同步电机的Ld和Lq相差很大,其中切向式Ld远大于Lq;,而径向式Ld远小于Lq。变频调速是永磁同步电机的基本调速方式,原理与感应电机变频调速原理基本相同。在理想情况下,永磁无刷直流电机的气隙磁通是矩形波,定子感生电动势也是矩形波,三相合成产生恒定的电磁转矩,没有转矩纹波。而实际工作时,由于磁饱和等因素,产生脉动的梯形波电磁转矩。永磁无刷直流电机、转子位置传感器和逆变器构成自控式永磁无刷直流电机,通过转子位置传感器提供的信号控制变压变频装置的逆变器换流,从而达到改变定子绕组的供电频率。目前最常用的是120导通型PWM斩波控制IGBI,逆变器,而且为了更好地改善转矩控制,增加电流调节控制减小转矩脉动。对于正弦波永磁同步电机,矢量控制FOC目前应用较多,与感应电机FOC基本相同,只是要考虑正弦波永磁同步电机转子永久励磁的特点。

开关磁阻电机SRM的定子和转子均为凸极结构,只在定子凸极上安装各相励磁绕组,转子上没有任何绕组。由于SRM定、转子极数不同,每相磁路的磁阻根据转子位置不同而变化,按照“磁阻最小原理”,转子铁芯向磁阻变小的方向转动,改变定子相绕组的通电时间和顺序,转子同步变化。SRM的定、转子极数有多种组合,典型的为6/4结构。开关磁阻电机具有结构简单坚固、成本低、功率密度高、调速控制简单、转矩脉动大和工作噪声大等特点。开关磁阻电机调速系统由SRM、转子位置传感器、逆变器和控制器组成,其基本控制方式是:

(1)基速以下电流或电压斩波控制,获得低速恒转矩特性;

(2)基速以上角度位置控制,获得高速恒功率特性 [1]


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