純電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制

純電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制

美國(guó)、日本等國(guó)對(duì)純電動(dòng)汽車的影響由于環(huán)境保護(hù)越來(lái)越受消費(fèi)者和政府的贊賞，能源價(jià)格也越來(lái)越高，世界上的汽車制造商正在增加新的能源車。在去年金融危機(jī)的影響下,今年以來(lái),由于全球大多主流的汽車市場(chǎng)紛紛出現(xiàn)衰退,尤其以美國(guó)和日本為代表的兩大汽車市場(chǎng)出現(xiàn)了急劇下滑,使得美國(guó)和日本汽車廠家不得不加速原本保守的計(jì)劃,從而重新刺激美國(guó)和日本等原有核心市場(chǎng)。而電動(dòng)汽車以電能為能源,具有零排放無(wú)污染的突出優(yōu)點(diǎn),因此備受汽車界的推崇。在中國(guó),政府今年也不斷的推出各種政策來(lái)促進(jìn)純電動(dòng)汽車的發(fā)展?；仡櫼幌聡?guó)際上電動(dòng)汽車的發(fā)展史,連這次至少有四次,世界汽車工業(yè)界要啟動(dòng)純電動(dòng)汽車,但是前三次都失敗了。前三次失敗主要是因?yàn)殡姵?。前三次基本上都是以鉛酸電池為基礎(chǔ),由于他的比能量和比價(jià)格都比較差,所以沒(méi)有得到推廣?，F(xiàn)在隨著電池技術(shù)的不斷發(fā)展,使得純電動(dòng)汽車的推廣得以實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)在純電動(dòng)汽車主要采用的是鋰電池,鋰電池的比能量是鉛酸電池的八到十倍,且質(zhì)量輕。今年比亞迪、豐田、奇瑞等汽車公司都將推出各自的純電動(dòng)汽車。并且電動(dòng)汽車將可能慢慢成為汽車發(fā)展的一種趨勢(shì)和必然。1各種電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)裝置的性能純電動(dòng)汽車關(guān)鍵的難點(diǎn)重點(diǎn)在于電池技術(shù)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)。電池技術(shù)已經(jīng)在一定程度上得到了突破。下面主要討論一下驅(qū)動(dòng)電機(jī)的相關(guān)狀況。1.1電動(dòng)助力電機(jī)的性能要求電動(dòng)汽車是以車載電源為動(dòng)力,并采用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的一種交通工具。電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是電動(dòng)汽車的核心部件之一,由于電動(dòng)汽車在運(yùn)行過(guò)程中頻繁起動(dòng)和加減速操作,對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的有著很高的要求。下面主要闡述控制過(guò)程中的一些關(guān)鍵問(wèn)題:(1)用在電動(dòng)汽車的電動(dòng)機(jī)應(yīng)具有瞬時(shí)功率大、過(guò)載能力強(qiáng)(過(guò)載3~4倍)、加速性能好,使用壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)。(2)電動(dòng)汽車用電動(dòng)機(jī)調(diào)速范圍應(yīng)該寬廣,包括恒轉(zhuǎn)矩區(qū)和恒功率區(qū)。要求在低速運(yùn)行時(shí)可以輸出大恒定轉(zhuǎn)矩,來(lái)適應(yīng)快速起動(dòng)、加速、負(fù)荷爬坡等要求;高速時(shí)能夠輸出恒定功率,能有較大的調(diào)速范圍,以適應(yīng)平坦的路面、超車等高速行駛要求。(3)在汽車減速時(shí),電動(dòng)汽車用電動(dòng)機(jī)應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)再生制動(dòng),將能量回收并反饋回電池,使得電動(dòng)汽車具有最佳能量的利用率。(4)在整個(gè)運(yùn)行范圍內(nèi),電動(dòng)汽車用電動(dòng)機(jī)應(yīng)使驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率達(dá)到最優(yōu)化,以降低驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)損耗,提高一次充電的續(xù)駛里程。(5)要求電動(dòng)汽車用電動(dòng)機(jī)可靠性好,能夠在較惡劣的環(huán)境下長(zhǎng)期工作,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單適應(yīng)大批量生產(chǎn),運(yùn)行時(shí)噪聲低,使用維修方便,價(jià)格便宜,體積小、重量輕,省維護(hù),抗震動(dòng)等。1.2交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)研究的重點(diǎn)是各種類型的驅(qū)動(dòng)電機(jī)及其控制,按電機(jī)的類型來(lái)劃分,電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可分為直流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)兩大類。早期時(shí)由于直流電機(jī)控制比較簡(jiǎn)單,電動(dòng)汽車多數(shù)采用直流電機(jī)。然而,目前隨著現(xiàn)代交流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展,其動(dòng)態(tài)性能己經(jīng)達(dá)到或者超過(guò)直流電機(jī)的水平,并且交流電機(jī)本身具有體積小、功率大、效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。由于交流電機(jī)沒(méi)有了電刷和滑環(huán)等,克服了直流電機(jī)因換向器帶來(lái)的缺點(diǎn),因此交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)將逐漸成為電動(dòng)汽車的主流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。在交流驅(qū)動(dòng)中,驅(qū)動(dòng)電機(jī)主要采用異步電機(jī)、永磁同步電機(jī)(包括無(wú)刷直流電機(jī))以及開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)。1.3直流電機(jī)的應(yīng)用早期時(shí),直流電機(jī)控制方法和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,只需要用電壓控制,不需檢測(cè)磁極位置,并且小容量系統(tǒng)造價(jià)低,技術(shù)也成熟,它所擁有電磁轉(zhuǎn)矩控制特性是交流電動(dòng)機(jī)所不可比擬的,因此電動(dòng)汽車廣泛的采用直流電機(jī);但是直流電動(dòng)機(jī)價(jià)格高、體積和質(zhì)量大,在電動(dòng)汽車上的應(yīng)用受到了限制,目前電動(dòng)汽車已經(jīng)很少應(yīng)用了,但是仍然有一些電動(dòng)汽車采用有刷直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。如日本東京大學(xué)的UOT電動(dòng)汽車采用直流串勵(lì)電動(dòng)機(jī),意大利菲亞特公司的900E/E2電動(dòng)汽車用直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng),日本馬自達(dá)汽車公司的BANGO電動(dòng)汽車則采用直流并勵(lì)電動(dòng)機(jī)1.4應(yīng)激電機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)三相異步電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,與定子無(wú)直接接觸部件,運(yùn)行可靠,轉(zhuǎn)速高,成本低,在蓄電池供電的條件下,可以實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行,所以目前在電動(dòng)汽車中交流異步電機(jī)應(yīng)用較多。美國(guó)制造的電動(dòng)汽車普遍采用感應(yīng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng),如Chrysler公司生產(chǎn)的EpicVan;Ford公司生產(chǎn)的RangerEV,通用汽車公司生產(chǎn)的IMPACT和EVI電動(dòng)汽車。國(guó)內(nèi)也采用感應(yīng)電動(dòng)機(jī)作為電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)也比較多,如勝利SL6700DD電動(dòng)客車,鄭州華聯(lián)ZK6820HG-1電動(dòng)輕型客車。電動(dòng)汽車用感應(yīng)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的研究重點(diǎn)主要是控制方面,其控制方法有矢量控制、模糊邏輯控制、串聯(lián)鐵耗模型的矢量控制及最大效率控制等。1.5驅(qū)動(dòng)性能低,電機(jī)噪聲高開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)結(jié)構(gòu)和控制簡(jiǎn)單、出力大,可靠性高,成本低,起動(dòng)制動(dòng)性能好,運(yùn)行效率高,但電機(jī)噪聲高,轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)嚴(yán)重,非線性嚴(yán)重,在電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)中有利有弊,目前電動(dòng)汽車應(yīng)用較少。它的主要研究方向是模型研究。1.6異步電機(jī)的轉(zhuǎn)子換向研究永磁同步電機(jī)體積小、重量輕、功率密度大、低速輸出轉(zhuǎn)矩大,精度高、效率高、噪聲小、維護(hù)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。因此在各個(gè)國(guó)家都有應(yīng)用。但是他在高速運(yùn)行時(shí)比異步電機(jī)復(fù)雜,需要檢測(cè)轉(zhuǎn)子磁極位置,另外永磁體還有退磁問(wèn)題,造價(jià)也較高。主要研究重點(diǎn)是位置檢測(cè)、換向和控制,可以表現(xiàn)為以下幾方面:換向邏輯的分析和確定、脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩的削弱、無(wú)位置傳感系統(tǒng)、新型控制策略。控制策略的研究包括變結(jié)構(gòu)控制、模糊控制與PID控制相結(jié)合的控制,以及各種全局優(yōu)化的方法與模糊控制方法的結(jié)合。2異步電動(dòng)機(jī)控制策略一種良好的電機(jī)設(shè)計(jì)必須與合理的控制策略相配合,才能使電機(jī)發(fā)揮出其優(yōu)良的性能。下面主要討論交流驅(qū)動(dòng)電機(jī)。對(duì)于永磁同步電機(jī),主要考慮的是在不同的供電場(chǎng)合下永磁同步電機(jī)極數(shù)怎么選擇,外轉(zhuǎn)子直接驅(qū)動(dòng)永磁同步電機(jī)減少轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的磁極形狀怎么優(yōu)化,還有一些磁飽和影響的問(wèn)題。其控制策略有矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制、內(nèi)?？刂?、自適應(yīng)滑?？刂啤⑿滦汪敯粜詣?dòng)態(tài)偏轉(zhuǎn)矩控制及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等。應(yīng)用于異步電動(dòng)機(jī)控制技術(shù)主要有三種:V/F控制、轉(zhuǎn)差頻率控制、矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)。二十世紀(jì)九十年代以前控制方式主要是V/F控制和轉(zhuǎn)差頻率控制,但這兩種控制技術(shù)因轉(zhuǎn)速控制范圍小,轉(zhuǎn)矩特性不理想,對(duì)于需頻繁起動(dòng)、加減速的電動(dòng)車不太適宜。矢量控制方法,也稱磁場(chǎng)定向控制,實(shí)現(xiàn)了異步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和磁場(chǎng)的解耦控制,使得異步電動(dòng)機(jī)的控制運(yùn)行既能保持穩(wěn)態(tài)精度又具有很好的動(dòng)態(tài)性能。近幾年來(lái),在國(guó)內(nèi),矢量控制技術(shù)在研制的電動(dòng)汽車感應(yīng)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)中正逐漸的推廣。下面著重?cái)⑹鰩追N近年來(lái)比較受關(guān)注的幾種控制方法的特點(diǎn)及到目前為止的應(yīng)用現(xiàn)狀。2.1無(wú)速度傳感器的使用現(xiàn)在使用的矢量控制系統(tǒng),分為有傳感器和無(wú)傳感器的矢量控制方法。有傳感器的成本比較高,對(duì)安裝精度要求也很高,與電機(jī)本身參數(shù)關(guān)系密切,有些問(wèn)題難以解決;在高溫高濕的情況下,他的輸出精度會(huì)受到影響,其信號(hào)線也容易受到電磁千擾。在電動(dòng)汽車中,使用速度傳感器的速度反饋成為不可靠環(huán)節(jié)。所以,在電動(dòng)汽車中使用無(wú)速度傳感器交流電機(jī)控制系統(tǒng)成為研究的熱點(diǎn),它的優(yōu)點(diǎn)主要有:增加可靠性、降低硬件成本、減少接線同時(shí)還可以減小電動(dòng)機(jī)。然而,實(shí)際系統(tǒng)中,由于其轉(zhuǎn)子磁鏈難以準(zhǔn)確觀測(cè),以及矢量旋轉(zhuǎn)變換的復(fù)雜性,使得實(shí)際的控制效果不如理論分析的好。這是矢量控制技術(shù)在實(shí)踐上的不足之處,而且交流傳動(dòng)領(lǐng)域的專家學(xué)者也都針對(duì)矢量控制上的缺陷做過(guò)許多研究,諸如由于在矢量控制中進(jìn)行了參數(shù)辨識(shí)以及使用狀態(tài)觀測(cè)器等現(xiàn)代控制理論,這些方案的引入使系統(tǒng)更加復(fù)雜,使控制的實(shí)時(shí)性和可靠性降低。正是由于矢量控制方案的復(fù)雜性,所以要使用高級(jí)的核心控制芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)矢量控制算法,目前隨著各種高級(jí)核心芯片性價(jià)比的不斷提高,矢量控制的應(yīng)用也將越來(lái)越廣泛。2.2基于約束條件的磁鏈軌跡控制近年來(lái)繼矢量控制變頻調(diào)速技術(shù)之后,直接轉(zhuǎn)矩控制也慢慢發(fā)展成為一種新型的具有高性能的交流變頻調(diào)速技術(shù)。1985年德國(guó)魯爾大學(xué)Depenbrock教授首次提出了直接轉(zhuǎn)矩控制的理論,接著1987年把它推廣到弱磁調(diào)速范圍。它的控制方式主要有兩種。其一是使定子磁鏈依照正六邊形軌跡運(yùn)動(dòng),由于正六邊形的六條邊分別與六個(gè)非零電壓空間矢量對(duì)應(yīng),因此可以通過(guò)三個(gè)施密特觸發(fā)器來(lái)簡(jiǎn)單切換逆變器的六個(gè)工作狀態(tài),直接通過(guò)六個(gè)非零電壓空間矢量實(shí)現(xiàn)磁鏈軌跡控制。與其它方式相比,它的主要優(yōu)點(diǎn)是控制方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,容易實(shí)現(xiàn),在輸出同樣的頻率時(shí)元器件開(kāi)關(guān)次數(shù)最少,開(kāi)關(guān)損耗也小,因而廣泛應(yīng)用于要求元器件開(kāi)關(guān)頻率不能太高的大功率場(chǎng)合得到。其缺點(diǎn)是由于在這種方法中定子磁鏈?zhǔn)前凑樟呅诬壽E運(yùn)動(dòng)的,故電壓、電流波形畸變比較嚴(yán)重,低速時(shí)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大,會(huì)在一定程度上限制直接轉(zhuǎn)矩控制的性能發(fā)揮。其二是由日本學(xué)者Takahashi提出的,是一種定子磁鏈運(yùn)動(dòng)軌跡近似為圓形的控制方案。這種方法通過(guò)實(shí)時(shí)計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)矩和磁鏈的誤差,結(jié)合電機(jī)定子磁鏈的空間位置來(lái)選擇相應(yīng)的開(kāi)關(guān)矢量。由于磁鏈運(yùn)動(dòng)軌跡近似為圓形,電壓、電流中的諧波含量在一定程度上減少了,但控制系統(tǒng)顯得復(fù)雜一些,這種控制方式能充分發(fā)揮新型電力電子器件的開(kāi)關(guān)頻率優(yōu)勢(shì),因而在中小功率場(chǎng)合獲得廣泛應(yīng)用。直接轉(zhuǎn)矩控制方案經(jīng)過(guò)近二十年的發(fā)展,各方面性能都在不斷提高,并已進(jìn)入到實(shí)用階段,國(guó)外目前已成功應(yīng)用于大功率高速電力機(jī)車、地鐵和城市有軌電車等主傳動(dòng)系統(tǒng)中。其中穿越英吉利海峽的高速列車采用的就是直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)。德國(guó)和日本在這方面的研究居于領(lǐng)先地位。但是直接轉(zhuǎn)矩控制作為一種誕生不久的新理論、新技術(shù),又有其不完善、不成熟之處,有些問(wèn)題甚至成為它發(fā)展難以逾越的障礙。正是由于以上原因,直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)成為當(dāng)今世界范圍內(nèi)交流調(diào)速控制技術(shù)研究的重點(diǎn)。下面介紹直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的幾個(gè)研究熱點(diǎn)問(wèn)題。3模糊控制仿真模型的建立在國(guó)內(nèi),有學(xué)者通過(guò)SVPWM過(guò)調(diào)制策略提高了電機(jī)在弱磁運(yùn)行區(qū)域的定子電壓、輸出轉(zhuǎn)矩和功率,消除過(guò)調(diào)制引起的逆變器輸出電壓控制規(guī)律非線性的影響。另外對(duì)基于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的電動(dòng)汽車無(wú)速度傳感器矢量控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究,強(qiáng)調(diào)了電動(dòng)汽車對(duì)電機(jī)控制系統(tǒng)的一些特殊要求及磁鏈估計(jì)模型的重要性。還有通過(guò)異步電動(dòng)機(jī)矢量控制和模糊PID控制器地基礎(chǔ)上建立了電動(dòng)汽車用異步電動(dòng)機(jī)模糊矢量控制系統(tǒng)的仿真模型,基于電流偏差的解耦控制方法,有效提高了解耦控制的參數(shù)魯棒性,保證了電流調(diào)節(jié)器在寬調(diào)速的性能。另外以永磁同步電機(jī)為研究對(duì)象,通過(guò)模糊控制實(shí)時(shí)性好和預(yù)測(cè)控制的優(yōu)點(diǎn)的結(jié)合,構(gòu)造了模糊預(yù)測(cè)協(xié)調(diào)控制器,提高了控制系統(tǒng)的性能,并且一種基于模糊規(guī)則進(jìn)行切換的控制規(guī)則,可以很好的解決了兩種控制在切換時(shí)發(fā)生的擾動(dòng)的問(wèn)題。另一種是魯棒性控制方法。在電流環(huán),基于內(nèi)?？刂?設(shè)計(jì)了電流解耦控制器,改善了電流環(huán)性能,并且控制只有一個(gè)可調(diào)參數(shù),簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)。在速度環(huán)采用魯棒性控制方法,在所有的魯棒控制方案中,這種基于直接擾動(dòng)消除的方法是一種簡(jiǎn)單而且實(shí)用的方法。國(guó)內(nèi)通過(guò)這些年的發(fā)展,已經(jīng)解決了一些電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)上問(wèn)題。4新能源汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)的應(yīng)用