【文章內容簡介】 電機性能相媲美。美國以及歐洲國家研制的電動汽車多采用交流感應電機作為其驅動電機，如美國Solectric公司配套生產的電動轎車和電動大巴車，通用汽車公司生產的Impact和EVI電動汽車，Chrysler公司生產的EpicVan以及Ford公司生產的 Ranger EV 等。異步電機其特點是結構簡單、堅固耐用、成本低廉、運行可靠，基本免維護。異步電機同時具有低轉矩脈動，低噪聲，不需要位置傳感器，轉速極限高等優(yōu)點。目前其在美國仍然是電動汽車驅動系統(tǒng)的主流產品[1]。 永磁電動機永磁電機是一種高性能的電機。具有高的“功率/質量”比，比其它類型的電機有更高的效率和轉矩，而且極限轉速和制動性能優(yōu)于其它類型的電機，更加適合作為電動汽車的驅動電機。但是永磁材料受溫度影響大，在大電流負載時可導致材料磁性能下降，恒功率控制困難。電動汽車用永磁電機主要有永磁無刷直流電機和永磁交流同步電機兩大類。無刷永磁電機由于具有較高的功率密度和效率以及寬廣的調速范發(fā)展前景十分廣闊，在電動車輛牽引電機中是強有力的競爭者，已在國內外多種電動車輛中獲得應用。無刷永磁電機可采用圓柱形徑向磁場結構或盤式軸向磁場結構，從磁鋼在電機中的安放方式又可內置式無刷永磁電機和表貼式無刷永磁電機。內置式永磁同步電機也稱為混合式永磁磁阻電機。該電機在永磁轉矩的基礎上迭加了磁阻轉矩，磁阻轉矩的存在有助于提高電機的過載能力和功率密度，而且易于弱磁調速，擴大恒功率范圍運行。內置式永磁同步電機的設計理論正在不斷完善和繼續(xù)深入，該電機結構靈活，設計自由度大，有望得到高性能，適合用作電動汽車高效、高密度、寬調速牽引驅動。這些引起了各大汽車公司同行們的關注，特別是獲得了日本汽車公司同行的青睞，特別是在混合動力轎車上獲得了廣泛的應用。如本田Insight、Civic電動汽車，豐田Prius、Crown、Estima EV電動汽車，日產R’nessa EV電動汽車等。當前，美國汽車公司同行在新車型設計中主要采用無刷永磁電機作為驅動電機，如美國UQM公司為美國軍方機動車輛配套生產30 100kW系列的驅動電機均采用無刷永磁電機等。 磁阻電動機開關磁阻電動機具有簡單可靠、在較寬轉速和轉矩范圍內高效運行、制動靈活、可四象限運行、響應速度快、成本較低等優(yōu)點。由于其磁極端部的磁路嚴重飽和以及磁極和溝槽的邊緣效應，使其在設計和控制中要求十分精確。實際應用發(fā)現(xiàn)，開關磁阻存在轉矩波動大、噪聲大、需要位置檢測器等缺點，所以應用還受到一定限制。最近，用于電動汽車的開關磁阻電機的優(yōu)化設計方法考慮到極弧、高度及最大磁通密度的限制，采用有限元分析的方法使得整個調速區(qū)域損耗最?。徊捎媚：刂撇呗詴r的電機的非線性和噪聲都不同程度的減小。國內有部分研究機構研制的電動汽車采用開關磁阻電機作為驅動電機，如東風汽車股份有限公司聯(lián)合重慶電機廠、武漢華中數控股份有限公司研制的EV6110HEV混合動力城市公交車、天津清源電動車輛有限公司聯(lián)合北方交通大學聯(lián)合研制的XL純電動轎車中均采用開關磁阻電機作為其驅動電機。 現(xiàn)代電動汽車是融合了電力、電子、機械控制、材料科學以及化工技術等多種高新技術的綜合產品。整體的運行性能、經濟性等首先取決于電池系統(tǒng)和電機驅動控制系統(tǒng)。電動汽車的電機驅動系統(tǒng)一般用四個主要部分組成，即控制器、功率變換器、電動機及傳感器。目前電動汽車中使用的電動機一般有直流電動機、感應電動機、開關磁阻電動機以及永磁無刷電動機等。各種電動機各有其優(yōu)缺點。 電動汽車的運行，與一般的工業(yè)應用不同，不但要求電機驅動系統(tǒng)具有高轉矩重量發(fā)。比、寬調速范圍、高可靠性，而且由于電源功率的限制等，其轉矩一轉速特性應根據電動汽車起動、爬坡和行駛等不同階段分為恒轉矩區(qū)或恒功率區(qū)。由于城市用電動汽車頻繁起停工作區(qū)域寬，經常運行于低速高轉矩或高速低轉矩區(qū)域，不但要求電動機系統(tǒng)在額定運行時效率要高，而且要求電動機系統(tǒng)具有盡可能寬廣的高效率區(qū)。在過去幾十年中，直流電動機曾普遍應用于電動汽車驅動系統(tǒng)之中。近幾年來，雖然直流電動機在電動汽車中的應用逐漸減少，但依然有一些電動汽車的驅動電機為直流電動機，例如日本大發(fā)公司的“H IJET”電動汽車中使用了直流串勵電動機，日本馬自達公司的“BANGO”使用的是直流并勵電動機，意大利菲亞特公司的900E/E2電動汽車中則為直流它勵電動機。 有刷直流電動機的主要優(yōu)點是控制簡單，技術成熟，具有交流電動機所不可比擬的優(yōu)良控制特性。目前直流電動機一般采用斬波器控制。它勵直流電動機的驅動控制最為典型，一般采用電樞電壓調節(jié)與弱磁控制相結合的方法。主電路中采用典型的轉速、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)，弱磁過程的完成則采用非獨立勵磁結構?？梢允孪却_定磁鏈模型，由轉速反饋信號通過查表的方法確定勵磁信號的給定值。也可以取消磁鏈模型，增加恒定的反電動勢給定及反電動勢閉環(huán)。增加反電動勢閉環(huán)的目的是為了在弱磁過程中維持反電動勢E基本不變。在轉速低于基速時，反電動勢給定應使得反電動勢調節(jié)器AER飽和以提供最大恒定勵磁。反電動勢調節(jié)器AER及勵磁電流調節(jié)器AFR均可采用PI調節(jié)器消除靜差。無論采用上述哪一種結構，轉速控制均由以下兩個步驟完成： （1）基速以下改變電樞電壓調節(jié)，同時保持勵磁為額定值不變； （2）以上弱磁升速，保持電樞反電動勢恒定。直流電動機的效率調節(jié)的原理是在電機過程中保持電機的損耗最小。針對直流電動機提出的恒定電流比控制(Constant Current Ratio Control)就是基于此思想。其推導了勵磁與電樞電流的最佳比例關系，使得電機在運行中維持效率最高。直流電動機盡管存在控制簡單的特點，但由于存在電刷及機械換向器，不但限制了電機的過載能力與速度的進一步提高，而且如果長期運行，勢必需要經常維持電刷與換向器。另外，由于損耗存在于轉子上，使得散熱困難，溫升增高，限制了電機轉矩重量比的進一步提高。由于直流電動機存在上述缺陷，因而在現(xiàn)代電動汽車中應用越來越少。 與直流電動機不同，由于現(xiàn)代電子技術與電機控制技術的發(fā)展，交流感應電動機已大量應用于電動汽車之中，例如日本尼桑公司的“FEV”電動汽車、美國通用汽車公司的“IM PACT”電動汽車等均使用感應電動機做為其驅動電機。其中，鼠籠式感應電動應用最廣。 感應電動機的控制一般采用VVVF、磁場定向以及直接轉矩控制。VVVF在基速以下能夠維持反電動勢E與頻率f 之比恒定，但在基速以上，磁通T必須與f 成反比降低，相當于直流電機的弱磁升速。但VVVF 控制性能較差，不適于電動汽車的運行。磁場定向矢量控制應用最廣，基本思想是以轉子磁鏈定向為控制目標，通過矢量運算，做到分別控制dq旋轉坐標系中的磁場電流分量與轉矩電流分量，實現(xiàn)類似直流電動機的轉速調節(jié)。具體實現(xiàn)時一般采用間接法測轉子磁鏈，常用的有定子電流、轉速磁鏈模型法以及定子電壓、電流磁鏈模型法。前者的特點是轉子磁鏈模型經過電壓模型的校正給出，通過電流模型及速度確定及；后者是通過檢測電動機端電壓及電流，經過模型運算，得到轉子磁鏈。直接轉矩控制不需要磁場定向矢量控制那樣復雜的坐標變換技術，只需直接在電動機定子坐標上計算磁鏈的模和轉矩的大小，直接控制電機電壓以達到電機系統(tǒng)的高性能。 由于感應電動機存在轉差損耗，效率調節(jié)應包括轉差損耗。繞線式感應電動機雙饋調速系統(tǒng)可以實現(xiàn)轉差功率的回饋，效率較高，但控制復雜，一般電動汽車中很少采用當感應電動機采用磁場定向控制時，在輕載情況下電機效率尤其低下，G1Junge等人采用了準最佳勵磁控制，即勵磁與轉矩電流分量比恒定，收到了較好效果。與此相似，A1K1Adnanes提出的恒轉差頻率控制同樣可以達到調節(jié)效率的目的。感應電動機用于電動汽車主要是由于它具有價格低，結構簡單，可靠性高，免于維修等優(yōu)點，其中矢量控制的應用可以得到類似于直流電動機的優(yōu)良特性，故在當今社會被廣泛應用。本文將以矢量控制，對電動汽車的驅動系統(tǒng)進行設計。 開關磁阻電動機系統(tǒng) 開關磁阻電動機系統(tǒng)是近年來逐漸完善起來的一種新型動力系統(tǒng)。許多文獻都曾探討過開關磁阻電動機系統(tǒng)在電動汽車中應用的可能性，但目前應用開關磁阻電機的電動汽車仍然很少，這類電動汽車有克勞瑞得公司的“Lucas”電動汽車 。開關磁阻電動機結構簡單，是一種雙凸極磁阻電動機，基于磁阻最小原理工作。開關磁阻電機一般采用三相以上的結構，隨著相數增多，步距角減小，轉矩脈動隨之減小，但結構、控制趨于復雜。目前應用較多的是三相(64 極)、四相(86 極)結構。 開關磁阻電動機的運行具有嚴重非線性的特點，因而許多工作集中于非線性基礎上的電磁轉矩和鐵耗的精確求解上。對于開關磁阻電機的轉矩、轉速控制，一般在低速時采用電流斬波控制，或稱之為電流滯環(huán)控制，以獲得恒轉矩特性； 在高速時采用角度位置控制。當電機運行于恒轉矩區(qū)域時，電機的開通角固定在電機效率最高，或轉矩脈動最小位置。當轉速超過基速時，調整每相電流的開通角，使電機提前開通，使電機具有恒功率特性，此時電機效率等會有所下降。當導通角增大到最大值時，電動機就具有類似于串勵直流電動機的特性。 關磁阻電動機系統(tǒng)的主要優(yōu)點在于結構簡單，堅固，既具有異步電動機矢量控制系統(tǒng)的高效率、高可靠性，又具有直流調速系統(tǒng)的良好控制特性。雖然其運行時存在電機噪聲，轉矩脈動嚴重等缺點，但隨著科技的進步，同樣具有廣闊的發(fā)展前景。 永磁無刷電動機系統(tǒng) 永磁無刷電動機系統(tǒng)具有較上述電機系統(tǒng)更高的能量密度和更高的效率，在電動汽車中具有極好的應用前景。永磁無刷電動機系統(tǒng)可以分為兩類，一類是方波驅動的無刷直流電動機系統(tǒng)(BDCM )，另一類是永磁同步電動機系統(tǒng)(PM SM )，也稱之為正弦波驅動的無刷直流電動機系統(tǒng)。 在永磁無刷直流電動機中，反電勢波形設計為梯波形，以期獲得更大更平穩(wěn)的電磁轉矩。因而定子繞組常采用集中繞組，轉子上的磁鋼常采用表面磁鋼結構。在永磁同步電動機系統(tǒng)中，氣隙磁場常設計為正弦波，定子采用分布式、分數槽繞組，轉子可以采用表面磁鋼、嵌入式、埋藏式結構。在電動汽車中，永磁無刷電動機也有采用盤式結構或外轉子結構的。另外，方波無刷直流電動機系統(tǒng)不需要絕對位置傳感器，一般采用霍爾元件或增量式碼盤，也可以通過檢測反電動勢波形換相。永磁同步電動機系統(tǒng)一般需要絕對式碼盤或旋轉變壓器等轉子位置傳感器。 永磁無刷電動機能量密度高于電磁式、磁阻式電機，目前的研究多集中于提高電機轉矩/重量比方面。一般認為，嵌入式結構出力要高于表面磁鋼結構。多相化可以進一步提高電機出力。CCChan等人開發(fā)的五相方波無刷電動機，采用了多極少槽結構，具有能量密度高等優(yōu)點。但該電機還存在電感較大等問題。典型的永磁無刷電動機系統(tǒng)是一種準解耦矢量控制系統(tǒng)。 由于永磁體只能產生固定幅值磁場，因而永磁無刷電動機系統(tǒng)非常適于運行于恒轉矩區(qū)域，一般采用電流滯環(huán)控制或電流反饋型SPWM法來完成。為進一步擴充轉速，永磁電機也可以采用弱磁控制。永磁同步電動機弱磁控制的實質是使相電流相位角超前，提供直軸去磁磁勢來減弱定子繞組中磁鏈。方波無刷電動機的弱磁控制與開關磁阻電機相仿，通過調節(jié)開通角來達到弱磁效果。 近年來開始的電動汽車，應用方波無刷直流電動機系統(tǒng)的越來越多，而采用永磁同步電動機系統(tǒng)的電動汽車也為數不少。在電動汽車的直接驅動方面，這兩種電機較上述各種電機具有更明顯的優(yōu)勢。但其成本較高，故應用不是很廣泛。 本章小結：通過對電動汽車幾種常用控制方法的對比，可以看出在當今社會中，交流感應電動機驅動系統(tǒng)具有結構簡單、使用方便、運行可靠、效率較高、制造容易、成本低廉的優(yōu)點，在電動汽車驅動中得到廣泛的應用，針對現(xiàn)實的使用情況，本文選擇交流異步電動機驅動系統(tǒng)對電動汽車驅動系統(tǒng)進行設計，同時并對該系統(tǒng)進行仿真，驗證其可行性。第3章 異步電機矢量控制原理在電動汽車控制系統(tǒng)中，異步電機的矢量控制實現(xiàn)了交流電動機磁通和轉矩的解耦控制，使其系統(tǒng)的動態(tài)特性有了顯著的改善。本章首先闡述異步電動機在三相坐標系下的數學模型，然后根據坐標變換理論，得到了其在兩相靜止坐標系下和兩相同步坐標系下的數學方程，并介紹了異步電機的矢量控制原理。 三相異步電動機的多變量非線性數學模型 由于異步電動機的動態(tài)數學模型是一個高階、非線性、強耦合的多變量系統(tǒng)，故在研究異步電動機的數學模型時，常常做出如下假設： 1） 忽略鐵耗對電機的影響； 2） 在頻率和溫度變化，忽略其對繞組電阻的影響； 3） 認為各繞組的互感和自感都是線性的，即忽略磁路飽和的影響； 4） 設三相繞組對稱，在空間中互差1200電角度，產生的磁動勢沿氣隙按正弦分布，忽略空間諧波[3]。三相異步電動機轉子繞組分為繞線型和籠型型，其均可以等效為三相繞線轉子，折算到定子側后，其定子和轉子繞組匝數都相等。電機繞組等效后的三相異步電動機的物理模型如圖31所示。