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1、第四章 电机驱动系统,北京理工大学 林程,车辆电动技术,4.1电机驱动系统,电机驱动系统是电动汽车的心脏，它的任务是在驾驶员的控制下，高效率地将蓄电池的能量转化为车轮的动能，或者将车轮上的动能反馈到蓄电池中。 电气系统由电机、功率转换器和电子控制器等三个子系统组成 机械系统主要包括机械传动装置（是可选的）和车轮 电子控制器分为三个功能单元：传感器、中间连接电路与处理器,电动汽车的电机驱动系统,蓄电池,4.1电动汽车的特性要求,驾驶员对电动汽车的驾驶性能要求 由包括加速性能、最大车速、爬坡能力、刹车性能以及续驶里程等性能在内的驾驶模式决定的 车辆的性能约束 车型、车重和载重等等 车载能源系统的性
2、能 与蓄电池、燃料电池、电容器、飞轮及各种混合型能源有关,电动车电机的独特性,电动汽车驱动电机需要有45倍的过载以满足短时加速行驶与最大爬坡度的要求；而工业驱动电机只要求有2倍的过载就可以了。 电动汽车驱动电机的最高转速要求达到在公路上巡航时基速的45倍；而工业驱动电机只要求达到恒功率时基速的两倍。 电动汽车驱动电机应根据车型与驾驶员的驾驶习惯进行设计；而工业驱动电机通常只根据典型的工作模式进行设计即可。 电动汽车驱动电机要求有高的功率密度和好的效率图（在较宽的转速和转矩范围内都有较高的效率），从而能够降低车重，延长续驶里程；而工业驱动电机通常对功率密度、效率及成本进行综合考虑，在额定工作点附
3、近对效率进行优化。 为使多电机协调运行，要求电动汽车驱动电机可控性高、稳态精度高、动态性能好；而工业驱动电机只有某一种特定的性能要求。 电动汽车驱动电机往往被装在机动车上，空间小，工作在高温、坏天气及频繁振动等的恶劣的工作条件下；而工业驱动电机通常在某个固定的位置工作。,注意1：单电机或多电机结构,单电机或多电机结构,注意2：固定速比与可变速比变速传动,注意3：有齿轮和无齿轮传动,注意4：系统电压等级,系统电压所选的电动汽车系统电压等级将大大影响驱动电机系统的设计。采用合理的高电压电机可减小逆变器的成本和体积。如果所需电压过高，则需要串联许多电池，这会引起车内及行李舱空间的减小，车辆的重量及成
4、本的增加，以及车辆性能的下降。由于不同的车型采用不同的系统电压等级，因而电动汽车驱动电机的设计需适合于不同的电动汽车。 系统电压受蓄电池重量的限制，电池重量约占整车重量的30%。实际上，电机的功率越大，所采用的电压等级越高。通用公司的EV1所用的102kW的电机采用312V的电压，而Reva EV 13kW的电机采用48V的电压。,注意5：电力驱动系统整合,电机与转换器，控制器，变速装置、能源等的整合是最为重要的。电动汽车驱动电机的设计者应充分了解这些部件的特性，然后在给定的条件下设计电机。这与工业驱动电机的设计是不同的，工业驱动电机通常是在标准电源下工作的标准电机。,电动汽车驱动电机分类,阴
5、影的电机类型表示已经被近代电动汽车采用,电机设计方法,基本上有两种主要的方法：电路法与电磁场法。电路法基于等效电路分析，而电磁场法依赖于电磁场分析 。 电磁场法的优点在于结果较精确，能较好的处理复杂的机械外形及非线性材料，并能较好的确定临界区域。现在有限元方法(FEM)被认为是用作电动汽车电磁场分析的强有力的工具之一。,设计电机时需要考虑的基本因素,磁载荷通过电机气隙的磁通密度的基本分量的峰值。 电载荷电机单位周长上总电流的均方根或单位周长上的安匝数，单位体积和单位重量的功率和转矩，单位磁路的磁通密度，转速、转矩和功率，损失和效率，以及热回路设计和冷却等。 关键之处：对钢、磁和铜的较好利用，更
6、好的电磁耦合、电机的几何形状与布局，更好的热设计和冷却，了解电机性能的限制，了解电机的几何形状、尺寸、参数和性能的关系，只有这样，才能设计出具有较高的单位重量功率和单位重量转矩以及较好性能的电机。,直流驱动电机技术,直流电机，由于励磁绕组的磁场与电枢绕组的磁场是垂直分布的，因而其控制原理非常简单。 通过用永磁材料代替直流电机的励磁绕组，有效地利用了径向空间，从而可使电机的定子直径大大减小。由于永磁材料的磁导率较小，因而电枢反应减小，互感增加。但有换向器及电刷的维护问题。 技术的进步把无换向器直流电机的发展推到了一个新的时代，它的高效率、高功率密度、低运行成本、更可靠及免维护等性能优于传统的直流
7、电机 。,感应电机技术,由于感应电机的低成本、高可靠性及免维护等特性，因而在电动汽车驱动电机领域里，它是应用很广的一种无换向器电机。但传统的变频变压（VVVF）控制技术等，不能使感应电机满足所要求的驱动性能。主要原因在于它的动态模型的非线性。随着微机时代的到来，采用矢量控制(FOC)法控制感应电机可以克服由于其非线性带来的控制难度，矢量控制也称为解耦控制。不过，采用矢量控制的电动汽车感应电机在轻载及有限的恒功率工作区域内运行时效率较低。 有人提出一种适用于电动汽车感应电机的即时效率优化控制方案，该方案能把能耗降低大约10%，并能增加大约4%的再生能量，从而使电动汽车的续驶里程增加14%以上。另
8、外，人们还开发了一种用于电动汽车感应电机的电极变换方案，该方案能有效的把恒功率的转速范围提高到基速的四倍以上。,永磁同步电机技术,用永磁材料代替传统同步电机的励磁绕组，永磁同步电机就能去掉传统的电刷、滑环以及励磁绕组的铜损。 永磁同步电机由于采用正弦交流电及无刷结构，也被称为永磁无刷交流电机或正弦永磁无刷电机。由于这种电机实质上是同步电机，它们不经电子转换就可以通过正弦交流电或脉宽调制方式使其运行。当永磁体嵌在转子表面时，由于永磁材料的磁导率与空气相似，因而这种电机的运行特性与非凸极同步电机一样。如果把永磁体埋入转子的磁路中，凸极就会产生附加的磁阻转矩，从而使电机的恒功率区域有更宽的转速范围。
9、 如果有意利用转子的凸极，而去掉励磁绕组或永磁体，就可得到同步磁阻电机，其结构简单，成本低廉，但输出功率相对较低。和感应电机一样，永磁同步电机通常也采用矢量控制方法以满足电动汽车电机驱动的高性能要求。由于其本身的高能量密度与高效率，它在电动汽车的应用领域与感应电机相比有较大的竞争优势。最近，有人提出永磁同步电机的自适应控制法，这种控制方法能使电机在整个工作区获得最优的性能。,永磁无刷直流电机技术,通过改变永磁直流电机定子和转子的位置，就可得到永磁无刷直流电机。需注意的是，名称中的“直流”这个术语可能会引起误解，因为它并不是指直流电机。实际上，这种电机采用交流方波供电，因此也称为永磁无刷方波电机
10、。这种电机最明显的好处是去掉了电刷，从而也排除了由电刷引起的许多问题；另一个优点是能产生较大的转矩，因为它的方波电流和磁场是垂直的。而且，这种无刷结构使电枢绕组具有更代表性的区域。由于通过整个结构的热传导有了改善，电负荷的增加可产生更高的功率密度。与永磁同步电机不同的是，这种永磁无刷直流电机通常装有转轴位置传感器。 最近，人们开发了一种用于电动汽车的解耦永磁无刷直流电机，它具有很高的功率密度，转矩不间断，且有较好的动态性能。它也采用先进的感应角控制方法来有效地增大它的恒功率转速范围。,开关磁阻电机技术,开关磁阻电机应用于电动汽车上具有很大的潜力。它基本上是由单块可变磁阻步进电机直接衍生而来。开
11、关磁阻电机具有结构简单，制造成本低廉，转矩/转速特性好等优点，适合于电动汽车驱动。 虽然它的结构简单，但决不意味着其设计和控制也简单。由于其磁极端部的严重磁饱和以及磁极和沟槽的边缘效应，使其设计和控制非常困难和精细。而且，经常引起噪声问题。 最近，有人开发了一种开关磁阻电机的优化设计方法，该方法考虑到极弧、高度及最大磁通密度的限制，用有限元分析方法使整个电机的损失达到最小。而且，采用模糊滑模控制法可控制电机的非线性并使噪音达到最小。,永磁混合电机技术,最近，一个新的研究方向是开发用于电动汽车的永磁混合电机。在原理上，有很多永磁混合电机，人们对其中的三种进行了研究，这三种是永磁和磁阻混合、永磁和
12、磁滞混合以及永磁和励磁绕组混合等。 第一种，把永磁体嵌入转子的磁回路中，永磁同步电机同时产生永磁转矩和同步磁阻转矩。另外，如果把永磁体和开关磁阻结构结合起来，就产生了另一种永磁和磁阻混合的电机，这就是所谓的双凸极永磁电机(DSPM) 。双凸极永磁电机现在的发展表明它具有高效、高功率密度和宽转速范围等优点。 第二种，综合利用永磁转矩和磁滞转矩的新型永磁混合电机，它把永磁体嵌入磁滞环内表面的槽中，这种磁滞混合电机具有启动转矩高，运行平稳且安静等独特优点，适用于电动汽车。 第三种，把永磁体置于转子内，直流励磁绕组放在内定子上，通过控制励磁电流的大小和方向，很容易调节电机的气隙磁通，这样，就容易得到满
13、足电动汽车驱动要求的转矩/转速特性。,各种驱动电机性能比较,从表中可以看出感应电机相对而言是最容易接受的。如果永磁无刷电机（包括直流和交流）的成本下降，其技术更加成熟时，这种电机将是最受欢迎的。传统的直流电机似乎在失去其竞争力，但开关磁阻电机和永磁混合电机在电动汽车上的应用有更大的发展潜力。,电动汽车电机的应用,电动汽车用功率电子器件,在过去几十年里，功率半导体器件技术有了很大的发展。这些功率器件在功率额定值以及性能方面有了革命性的进展。在现有的功率器件中，功率二极管作为自由开关使用，而其它功率器件，如晶闸管、GTO、BJT、MOSFET、IGBT、SIT、SITH、MCT等，都是外部可控的，
14、对高性能的功率器件的研究仍在进行。,对电力驱动的功率器件要求,额定值额定电压根据蓄电池的名义电压、充电时的最大电压和再生制动时的最大电压确定，而电流的额定值取决于电机额定功率的峰值以及所并联的功率器件的个数，当这些器件并联时，其导通状态与开关特性必须匹配好； 转换效率开关频率较高可减小过滤器的体积并有利于满足电磁干扰限制的要求。当开关频率高于20Hz时，可避免出现噪声； 功率损失导通时的压降或损失应降到最小，同时开关损失应尽可能小。由于高的开关频率会增加开关损失，开关频率在10Hz时可使能量密度、噪声及电磁干扰同时达到最优。漏电电流应限制在1mA以内，以使断开状态的损失最小； 基极/门极的可驱
15、动性器件应考虑到简单和安全的基极或门极驱动。相应的驱动信号或为触发电压/电流或为线性电压/电流。 电压驱动模式能耗非常低，通常被优先采用； 动态特性器件的动态特性应足够好，以允许有较高的dv/dt和较高的di/dt能力，并容易进行并联。内部的续流二极管应该和外部的主器件具有相似的动态特性； 坚固功率器件应该有足够的抗过载能力以承受过电压时的巨大能量，并能在过流时通过快速熔断半导体保险丝加以保护，它应不用和尽量少用缓冲电路。由于电动汽车频繁的加速、减速，功率器件会引起频繁的热循环冲击，它应在这种热压条件下可靠工作； 成熟性与成本由于功率器件的成本占整个电动汽车驱动系统的大部分，所以功率器件应该尽
16、量经济。最近的一些功率器件，比如高能的MCT等，还不能成熟地应用于电动汽车。,各种电动汽车功率器件的比较,电动汽车用功率转换器,功率转换器技术一般随着功率器件的发展而发展，目的是要达到高功率密度、高效、高可控性和高可靠性。功率转换器可以是同频率的AC-DC 和AC-AC转换，不同频率的AC-AC变换，DC-DC 或DC-AC变换。DC-DC转换器通常称为直流斩波器，而DC-AC变换器通常称为逆变器，它们分别用于电动汽车驱动系统的直流和交流电机。,直流斩波器,直流斩波器是在二十世纪六十年代出现的，它用作非自然关断的半导体闸流管，只限于在低频开关下运行。由于快速开关功率器件的出现，这种斩波器现在能
17、在几十甚至几百千赫兹下工作。 用于电动汽车驱动时，两象限的直流斩波器是最理想的，因为在电机驱动模式下，它能把蓄电池的直流电压变换为可变的直流电压，并能在再生制动时进行能量的反向转换。四象限的直流斩波器用于直流电机的可逆与再生速度控制。四象限直流斩波器如图所示。,逆变器,逆变器通常分为电压输入式和电流输入式。由于需要大量的电感元件来模拟电流源，所以电流供给式逆变器很少用于电动汽车驱动。由于电压输入式逆变器很简单且能进行双向能量转换，所以电动汽车上几乎只使用这种逆变器。典型的三相全桥电压输入式逆变器如图所示。 根据不同的需要，它的输出波形可以为方波、六步式或是脉宽调制波形。比如，可以为永磁无刷直流电机输出方波，可为感应电机输出六步式波形或脉宽调制波形。,
