【文章內(nèi)容簡介】 、絕緣柵雙極型晶體管 (IGBT)在電動汽車電氣驅(qū)動系統(tǒng)中已得到了廣泛的應(yīng)用,但電力晶體管 (BJT)正逐漸被絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)取代。功率場效應(yīng)晶體管(MOSFET)適合于功率較小的電動汽車電氣驅(qū)動控制系統(tǒng),而隨著MOS柵控晶閘管(MCT)性能的進一步提高和價格的降低,它將成為未來最有發(fā)展的功率半導(dǎo)體器件。 電動汽車電氣系統(tǒng)的控制技術(shù)控制技術(shù)對電動汽車系統(tǒng)性能有非常大的影響,同一臺電機由于控制方式不同,輸出也就大不相同。對低速小功率的微型電動車來說,由于性能不高,一般采用簡單的開環(huán)控制方法。但是,對高性能的電動汽車,除了要研究先進的電動機外,還要研究先進的電機控制方法。傳統(tǒng)的線性控制,如PI和PID控制,已經(jīng)很難再適應(yīng)高性能驅(qū)動系統(tǒng)的嚴(yán)格要求了。近幾年,出現(xiàn)了許多現(xiàn)代控制技術(shù)。目前, 那些在常規(guī)驅(qū)動領(lǐng)域中的一些控制方法,如變壓變頻(VVVF)、矢量控制(VC)、模型參考自適應(yīng)控制 (MRAC)、直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)和變結(jié)構(gòu)控制 (VSC)等等都已被廣泛地移植到電動汽車的控制系統(tǒng)中來,并取得了良好的效果。但是電動汽車的驅(qū)動系統(tǒng)以及控制有其自身的特點,如要求電機能夠工作在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)和恒功率區(qū),并同時保持高效率、調(diào)速范圍大、動態(tài)性能要求高等等。從目前的實踐來看,對于感應(yīng)電動機,矢量控制技術(shù)最好。采用矢量控制,對定子電流兩分量實行解耦,可以象直流電機那樣分別控制轉(zhuǎn)矩和磁通,獲得快速響應(yīng)和精確控制的高性能驅(qū)動系統(tǒng)。由于轉(zhuǎn)子電阻隨運行溫度的急劇變化而影響磁場定向的準(zhǔn)確性,故目前的研究方向開始轉(zhuǎn)到以定子磁場定向的矢量控制中去。通常的控制系統(tǒng)往往安裝有速度傳感器,以獲得必要的反饋信息。但對電動汽車來講,主要控制的是電機的轉(zhuǎn)矩。另外,速度傳感器的存在不但使驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,而且也增加了系統(tǒng)的成本,降低了可靠性。因此,在電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)中,直接轉(zhuǎn)矩控制無速度傳感器的感應(yīng)電動機調(diào)速系統(tǒng)無疑具有良好的發(fā)展前景。前面還出現(xiàn)的智能控制技術(shù),如模糊控制,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和專家系統(tǒng)也開始應(yīng)用于電動汽車的驅(qū)動系統(tǒng)中。所以,現(xiàn)代控制技術(shù),特別是智能控制技術(shù)的使用,使電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)具有高度的智能化。 樣車的電氣控制系統(tǒng)圖3 實驗室用樣車圖片樣車的電氣控制系統(tǒng)主要由電機驅(qū)動電路、輪轂式無刷直流電機、外部指令輸入及電機信號反饋電路、主控電路和蓄電池組成。其結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。圖4 電氣控制系統(tǒng)框圖電氣控制系統(tǒng)的現(xiàn)場配置如圖5所示，其中兩個10000pF，耐壓200V電容作為蓄電池的濾波電容，能在電動汽車啟動時起到瞬間提供大電流，蓄電池電壓穩(wěn)定的作用。圖5 電氣控制系統(tǒng)實物圖驅(qū)動電路在整個控制系統(tǒng)中起到關(guān)鍵作用，其性能直接決定了電動汽車能否運行。它主要包括光藕隔離、驅(qū)動控制芯片和驅(qū)動芯片。其中，驅(qū)動控制芯片是IR213O，驅(qū)動芯片是I盯P260N。在實際調(diào)試過程中，驅(qū)動芯片常常會發(fā)生擊穿，甚至驅(qū)動控制芯片損壞，所以設(shè)計時要特別注意它們之間的參數(shù)關(guān)聯(lián)性，具體需要注意的問題參見IR公司的設(shè)計指南DT98一2。本文經(jīng)驗總結(jié)得出，驅(qū)動芯片的損壞大部分是由于MOSFET的漏極與源極之間通過瞬間大電流引起的，特別是離過流保護電路越遠(yuǎn)的管子越容易燒毀，這些都需要在PCB板布線設(shè)計時予以精心考慮的。本樣車驅(qū)動電路的實物如圖6所示。圖6 驅(qū)動控制實物圖(1)電力電子器件的性能影響電動汽車的可靠性,采用新型電力電子器件和微機控制及數(shù)字信號處理器,通過軟件實現(xiàn)全數(shù)字化控制是電氣驅(qū)動系統(tǒng)主要的發(fā)展方向。(2)應(yīng)用交流電機是電氣驅(qū)動系統(tǒng)必然發(fā)展趨勢,直流電機的應(yīng)用逐漸減少,感應(yīng)電機應(yīng)用廣泛,永磁同步電機的應(yīng)用最具有發(fā)展前景,開關(guān)磁阻電機的應(yīng)用值得特別重視。(3)MOSEF適合于開關(guān)頻率高、小功率的控制器,大功率管選IGBT。隨著MCT性能的繼續(xù)提高并達(dá)到商用時,MCT必將成為電氣系統(tǒng)功率控制器的首選器件。3 電動汽車的能源管理系統(tǒng)技術(shù)能源管理系統(tǒng)是電動汽車的智能核心。一輛設(shè)計優(yōu)良的電動汽車，除了有良好的機械性能、電驅(qū)動性能、適當(dāng)?shù)哪芰吭矗措姵兀┩?，還應(yīng)該有一套維持電動車所有蓄電池組件的工作，并使其處于最佳狀態(tài)；采集車輛的各個子系統(tǒng)的運行數(shù)據(jù)，進行監(jiān)控和診斷；控制充電方式和提供剩余能量顯示等職責(zé)的能量管理系統(tǒng)。能源管理系統(tǒng)研究與開發(fā)不僅要建立包括蓄電池在內(nèi)的電動車的數(shù)學(xué)模型而且要開發(fā)以微處理器為核心的電子控制單元。圖7 電動汽車能源管理系統(tǒng) 電動汽車對電池性能的要求電池是電動汽車的動力源泉，也是一直制約電動汽車發(fā)展的關(guān)鍵因素。電動汽車用電池的主要性能指標(biāo)是比能量、能量密度、比功率、循環(huán)壽命和成本等。要使電動汽車具有競爭力，就要開發(fā)出比能量高、比功率大、使用壽命長的高效電池。目前面臨最關(guān)鍵的電池技術(shù)問題是：1. 極低的電池能量密度。h/kg，而目前通常使用的鉛酸電池能量密度不足40Wh/kg。近年來，其他類型電池，如空氣電池等的開發(fā)雖有進展，但是在價格、性能、工藝性等方面欠成熟，近期無法實現(xiàn)量產(chǎn)。2. 過重的電池組。，但是，電池過重的自身質(zhì)量仍會使一部電動汽車的總質(zhì)量較同樣大小的內(nèi)燃機汽車重。3. 有限的續(xù)駛里程與汽車動力性能。由于電池的能量密度較低，電池組的質(zhì)量過大，因此，即使電動汽車動力系統(tǒng)的效率很高，使用鉛酸電池的電動汽車一般一次充電的續(xù)駛里程也只有100km左右（使用太多電池組除外）。由于電池性能差，電動汽車的動力性能無法達(dá)到當(dāng)前內(nèi)燃機汽車的水平。4. 電池組昂貴的價格及有限的循環(huán)壽命。一輛載容量20人的輕型電動客車電池組的價格高達(dá)2萬元人民幣，以現(xiàn)有電池的循環(huán)壽命（假定為800次充放電循環(huán)）計算，電動汽車行駛6萬km就需更換電池。高昂的運行成本難以讓市場接受。5. 汽車附件的使用受到限制。由于電動汽車所能攜帶的電能有限，所以在車上對電能的使用必須注意節(jié)省，車內(nèi)空調(diào)和暖風(fēng)的選用必須充分考慮其對電動汽車?yán)m(xù)駛里程的影響。除此之外，動力轉(zhuǎn)向、真空助力器、主動（半主動）懸架以及其他一些車載電器使用也受到限制。因此，乘員的舒適性受到影響。上面提到的問題也就是電動汽車對電池性能的要求，能夠很好的解決是當(dāng)今各大汽車廠商和研究院研究的重點。 現(xiàn)有的符合電動汽車用電池及管理系統(tǒng)到目前為止，電動汽車車用動力蓄電池經(jīng)過3代的發(fā)展，已取得了突破性的進展。第1代是鉛酸電池，目前主要是閥控鉛酸電池（VRLA），由于其比能量較高、價格低和能高倍率放電，因此是目前唯一能大批量生產(chǎn)的電動汽車用電池。第2代是堿性電池，主要有鎳鍋、鎳氫、鈉硫、鏗離子和鋅空氣等多種電池，其比能量和比功率都比鉛酸電池高，因此大大提高了電動汽車的動力性能和續(xù)駛里程，但其價格卻比鉛酸電池高。只要能采用廉價材料，電動汽車用銼離子電池將獲得長足的發(fā)展，目前關(guān)鍵是要降低批量化生產(chǎn)的成本，提高電池的可靠性、一致性及壽命。第3代是以燃料電池為主的電池。燃料電池直接將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，能量轉(zhuǎn)變效率高，比能量和比功率都高，并且、可以控制反應(yīng)過程，能量轉(zhuǎn)化過程可以連續(xù)進行，因此是理想的汽車用電池。表3為各種車用電池的性能比較。表3 各種車用電池的性能比較從目前車用電池的發(fā)展來看，鎳氫電池可能是電動汽車動力能源的首選電池，性能穩(wěn)定，其質(zhì)量比、體積比功率、電池壽命和重復(fù)充放電次數(shù)方面均已達(dá)到USABC（美國先進電池聯(lián)合會）性能指標(biāo)。從產(chǎn)品規(guī)?；?、生產(chǎn)程度和發(fā)展前景看，有可能成為電動汽車車用電池的潛在競爭者，其容量大、體積質(zhì)量小的優(yōu)點正符合現(xiàn)代電動汽車的要求。另外，燃料電池的應(yīng)用前景樂觀。隨著電化學(xué)技術(shù)的進一步發(fā)展，燃料電池可能成為電動汽車的主要能源之一。其他尚在實驗階段的電池如飛輪電池、太陽能電池，有著壽命長、環(huán)保等優(yōu)點，在未來的車用電池中也必將占有一席之地。數(shù)據(jù)采集是電池管理系統(tǒng)所有功能的基礎(chǔ)，需要采集的信息有電池組總電壓、電流、電池模塊電壓和溫度。電池狀態(tài)估計包括SOC估計和SOH（State of Health）估計，SOC提供電池剩余電量的信息。SOH提供電池健康狀態(tài)的信息。目前的電池管理系統(tǒng)都實現(xiàn)了SOC估計功能，SOH技術(shù)尚不成熟。熱管理指BMS根據(jù)熱管理控制策略控制電池組熱管理系統(tǒng)的工作，以使電池組處于最優(yōu)工作溫度范圍。數(shù)據(jù)通信是指電池管理系統(tǒng)與整車控制器、電機控制器等車載設(shè)備及上位機等非車載設(shè)備進行數(shù)據(jù)交換的功能。安全管理指電池管理系統(tǒng)在電池組的電壓、電流、溫度、SOC等出現(xiàn)不安全狀態(tài)時給予及時報警并進行斷路等緊急處理。能量管理是指對電池組充放電過程的控制，其中包括對電池組內(nèi)單體或模塊