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
18、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。,电动汽车逆变器软开关技术,功率逆变器可用软开关来代替强制式开关。软开关的关键之处在于运用谐振回路来形成电流或电压波形，使功率开关器件处于零电压或零电流状态。一般来说，软开关逆变器具有以下优点： 由于处于零电压或零电流状态，功率器件的开关损失为零，因而效率也高。 由于热消耗低，且无需缓冲，转换器的体积和重量都减少了，因而功率密度高。 由于采用软开关使开关的压力最小，器件的可靠性得到了改善。 由于电压谐振脉冲较小，从而使电磁干扰和器件的绝缘性不再成为主要问题。 由于开关频率很高，所以噪声很小。 软开关技术的主要缺点在于谐振回路增加了成本及复
19、杂性。虽然软开关的DC-DC转变器在开关模式的功率器件中得到了广泛的应用，但它在电动汽车驱动系统中的应用发展较慢。由于高效率和高功率密度的功率转换器对电动汽车驱动是非常理想的，所以适用于电动汽车的软开关功率转换器仍在进一步的发展。,软开关式逆变器,虽然在开关模式的电力系统中应用了许多软开关式的DC-DC转换器，但这些转换器不能直接用于驱动电动汽车的直流电机中，因为除了要承受过大电压和电流外，这些转换器也不能控制再生制动时的反向能量流。应该指出的是：对电动汽车而言，再生制动是非常重要的，因为它能有效的延长25%以上的续驶里程。 人们把适用于交流电机（包括感应电机、永磁无刷电机和永磁混合电机）的软
20、开关式逆变器的发展作为一个新的研究方向。,用于电动汽车驱动的软开关逆变器的研发指标有许多，如效率高于95%，功率密度高于3.5 W/cm3，开关频率高于1020kHz，dv/dt低于1000 V/s，零电磁干扰，车辆行驶期间无故障。最近，三角结构的辅助谐振缓冲逆变器已达到了以上要求，并证明其输出功率能达到100kW。,微电子器件,现代微电子器件可大体分为微处理器，微控制器，数字信号处理器(DSPs)和传输机等。 微处理器技术被认为是微电子技术发展的里程碑，如8086, 80186, 80286, 80386, 80486,奔腾，奔腾II和奔腾III等。微处理器是微机的CPU，可用来编译指令，控
21、制运行行为并执行所有的算法和逻辑运算。不像微处理器，微控制器如8096, 80196 和80960等，包括所有的资源如CPU, ROM 或EPROM, RAM, DMA，计时器，中断源、A/D 和 D/A转换器及输入/输出接口等，可作单机、单片控制器使用。这样，基于电动汽车驱动系统的微处理器具有硬件最少、软件集中等优点。数字信号处理器(DSPs)，如TMS320C30, TMS320C40 和i860具有快速计算浮点数据的能力，它可以满足高性能的电力驱动电机的复杂控制算法的要求。另外，传输机，如T400, T800 和 T9000，是为并行处理特别设计的。通过用多片传输机，任何复杂的控制算法都
22、可以实现。 通过把微电子器件和功率器件集成到同一芯片上（就像大脑和肌肉的集成），便成了功率集成电路(PICs)，俗称“智能功率”，其目的是进一步减小体积，降低成本并改善其可靠性。PIC可以包含功率模块、控制、保护、信息传递和制冷等。PIC合成存在的主要问题是高电压和低电压器件的绝缘以及冷却问题。,控制策略,传统的线性控制，如PID，不能满足高性能电机驱动的苛刻要求。近几年，出现了许多先进的控制策略。适用于电机驱动的控制策略的发展现状，包括自适应控制，变结构控制，模糊控制和神经网络控制等。 自适应控制包括自调节控制(STC)和模型参考自适应控制(MRAC)。运用STC，控制器的参数可根据系统参数
23、的变化进行自动调整。关键在于运用一个识别模块来跟踪系统参数的变化，并通过控制器的自调整模块更新控制器的参数，这样就可以获得理想的闭环控制性能。运用MRAC，输出模型的响应必须跟踪参考模型的响应，而不管系统模型的参数如何变化，基于利用参考模型和系统输出的差别的自适应算法，控制器的参数不断加以调整，从而可得到理想的闭环控制性能。现在，MRAC和STC都已用于电动汽车无换向器电机驱动系统中。 变结构控制(VSC)最近也应用到电机驱动中与自适应控制进行竞争。运用VSC，系统提供不敏感的参数特性，规定误差动态并简化所执行的操作。根据一系列的开关控制原理，系统必须按预先设定的轨道在相平面内运行，而不管系统
24、参数如何变化。 模糊逻辑和神经网络等新技术最近也被引入电机控制领域。模糊控制实质上是一种语言过程，它基于人类行为所使用的先前经验和试探法则。利用神经网络控制(NNC)，控制器有可能解释系统的动态行为，然后自学并相应的进行自我调整。此外，这种先进的控制策略还能结合其它控制策略形成新的控制模式，比如自适应模糊控制，模糊NNC和模糊VSC等。在不久的将来，利用人工智能(AI)的控制器不用人的干预就能进行系统诊断和错误修正。,4.2直流电机,直流电机分为励磁绕组式和永磁式直流电机。前者有励磁绕组且磁场可由直流电流控制，而后者没有励磁绕组且永磁体的磁场是不可控制的。由于技术成熟，控制简单，它们在各种电动
25、汽车驱动系统中有广泛的应用。,直流电动机工作原理与结构,系统的基本结构,直流电机广泛用于电机驱动系统。最早的直流电机由一串电阻器与电机串联或并联形成。电机的电压等于电池电压减去电阻器上的电压降，并通过运用接触器短路一部分电阻而使电压升高。直流电机的电阻控制的基本结构如图所示，图中，A, B, C和 D是外部控制接触器。这种系统只适用于在额定转速运行和启动时只要求平稳加速的电动汽车驱动系统。虽然这种电阻控制方式简单且价廉，但由于大量的能量以热的形式损失了，因而其效率很低。另外，它不能进行平滑控制，因而运行不平稳。 随着功率电子器件的迅速发展，电阻控制方式已被淘汰。直流斩波控制方式由于体积小，重量
26、轻，效率高，可控制性好，而且根据所选的加速度，能平稳加速到理想的速度，所以该控制方式在电力驱动领域得到了广泛应用。右图显示出了用于直流电机速度控制的基本的一象限直流斩波器。,直流电机励磁方式,普通励磁绕组直流电机分为他励、串励、并励和复励等。没有外部控制时，它们在额定电压时的转矩/转速特性如图所示。 他励直流电机，励磁电压和电枢电压可以互相独立控制，其转矩/转速特性是线性相关的，转速随转矩的增大而减小，转速调节是通过调节电枢回路的电阻来实现的。 串励直流电机，励磁电流与电枢绕组的电流相等，转矩增加伴随着电枢电流的增大及磁通的增加，结果，转速下降使电源电压与感应电压保持平衡，转矩与转速成反比关系
27、。低速时能提供高转矩，广泛用于传统电动汽车驱动系统。大大降低车辆加速与爬坡时的电池消耗。 并励直流电机，励磁绕组与电枢绕组连接在同一电源上，其特性与他励直流电机相似。 复励直流电机，串励绕组磁动势的方向与并励绕组的相同，其特性界于串励直流电机与并励直流电机之间，取决于串励与并励磁场的相对强弱。,永磁与励磁直流电机,用永磁体取代励磁绕组和磁极结构，励磁绕组直流电机就变成了永磁直流电机。与励磁绕组直流电机相比，永磁直流电机由于采用永磁体，大大节省了空间并且没有磁场损失，所以它的功率密度和效率都较高。永磁体的磁导率和空气的差不多，所以电枢反应减小，电磁交换得以改善。不过，由于永磁直流电机的励磁不能控
28、制，所以我们不能从永磁直流电机得到与励磁绕组直流电机相似的工作特性。 由于换向器和电刷的存在，励磁绕组直流电机和永磁直流电机存在同样的问题。换向器引起转矩波动并限制了电机的转速，而电刷带来摩擦与射频干扰(RFI)。而且，由于磨损和断裂，换向器和电刷需定期维护。这些缺点使其可靠性低且不适合于免维护工作，从而限制了它们在电动汽车驱动领域的广泛应用。,直流电机的控制,直流电机的优势在于其成熟性和简单。由于气隙磁通和电枢电流Ia能分别控制，因而电机转速m和转矩T也能分别控制，所以直流电机的控制很简单。无论是励磁绕组直流电机还是永磁直流电机，它们都满足以下基本方程 ：式中E是反电动势，Va是电枢电压，R
29、a是电枢电阻，Ke称为反电动势常数或转矩常数，对于励磁绕组直流电机来说，与可独立控制的磁场电流If线性相关。而对于他励、串励、并励或复励直流电机来说，则If与Ia或Va或与Ia、Va都有关。但是，永磁直流电机的基本上是不可控制的。 直流电机的设计包括下列主要尺寸：电枢的外径与铁芯长、电枢外径与铁芯长之比的优化、气隙长度、磁极对数、电枢槽的个数、电枢齿宽与槽深、线圈绕组匝数、槽满率、换向器的小节数、换向装置、单位磁路的磁通密度、励磁电流、单位热回路中的热阻抗、转速、转矩和效率、单位重量转矩、铜和铁芯重量等。,DC-DC转换器,当DC-DC转换器以斩波方式工作时，通常称为直流斩波器，广泛用于直流电
30、机驱动的电压控制。 电动机工作模式，能量从能源流向负载；而第二象限型直流斩波器适用于再生制动，能量从负载流向能源；再生制动对电动汽车是非常重要的，能使其续驶里程延长25%以上，在电动汽车驱动中是首选的；四象限直流斩波器不用机械接触器实现反向工作，而是用电子控制来实现正向的电动机工作模式和逆向的再生制动工作模式。,直流斩波器的三种调压方式,直流斩波器的输出电压有三种调节方式，即脉宽调制(PWM)方式、频率调制方式和限流控制方式。第一种方法，斩波器的频率保持不变，只改变脉冲的宽度；第二种方法，脉冲宽度保持不变，斩波频率是可变的。第三种方法，脉冲宽度和频率都是可变的，使负载电流控制在某个特定的最大值
31、和最小值之间。 传统的电动汽车直流电机驱动通常采用PWM控制或二象限直流斩波控制方式。相应的控制依赖于占空比的变化。式中，Vs是供给的直流电压。当(E/Vs)时，工作于发电机模式(Ia0)；当(E/Vs)时，工作于再生制动模式(Ia0)；当=(E/Vs)时，表示处于空载状态。由于电流没有间断，所以不会出现不连续的导通模式。,软开关DC-DC转换器,软开关DC-DC转换器很少用于直流电机驱动的电压控制，主要原因在于它的发展比开关模式的功率器件的发展缓慢。而且，可用的软开关DC-DC转换器不能控制再生制动的能量回流。直到现在，我们专门开发出了适用于电动汽车电机驱动的二象限软开关DC-DC转换器，即
32、二象限零电压变换(2Q-ZVT)转换器，它具有最小的电压与电流开关应力，且能高效地工作于电动机和再生制动工作模式。图显示了2Q-ZVT转换器控制的直流电动机驱动的结构简图。,在电动机工作模式，转换器的输出电压V0由电压转化比m= V0/ Vi控制，该转化比与新的可控占空比的关系如下：式中，m定义为S4, S5 和S6的标准总周期，f是标准开关频率，m是标准负载电流。当f 选择为0.04时，m对于m，m对于m的工作特性如图4.17所示。同样，再生制动时的电压转化比定义如下：式中，r定义为S4, S5 和S6的标准总周期，r是再生制动时的标准负载电流。,电机两种模式下的等效电路和工作波形,电机牵引
33、模式,电机再生制动模式模式,电机不同模式的工作特性曲线,电机牵引模式,再生制动模式,转速控制,直流电机的转速控制可以通过电枢控制和励磁控制。当直流电机电枢电压减小时，电枢电流和电机转矩就会降低，由此引起电机转速降低。反之，当电枢电压增加时，电机转矩就会增加，由此会引起电机转速增加。 为使电动汽车的直流电机有较宽的转速控制范围，电枢控制必须和励磁控制相结合。当电机转速在零与基速之间时，励磁电流保持在额定值，采用电枢控制。当电机转速超过基速时，电枢电压保持在额定值，采用励磁控制。 采用电枢与励磁控制相结合相应的所允许的最大转矩与最大功率如图所示。他励直流电机在电动机和再生制动两种工作模式时的转矩/
34、转速特性曲线如图所示。,4.3 感应电机,无换向器电机驱动比传统的有换向器直流电机驱动优点多。目前，感应电机驱动在各种无换向器电机驱动中技术最成熟。 感应电机有两种类型，绕线式转子电机和鼠笼式电机。由于绕线式感应电机成本高、需要维护、缺乏坚固性，因而没有鼠笼感应电机应用广泛，特别是在电动汽车的电力驱动中。鼠笼感应电机简称为感应电机。 感应电机驱动除了具有无换向器电机驱动的共同优点外，还具有成本低，坚固等优点。这些优点超过了其控制复杂的缺点，推动感应电机在电动汽车驱动中的广泛应用。,系统结构,在电动汽车驱动中，感应电机驱动分为单电机型和多电机型。 图示单电机驱动的结构，由三相鼠笼型感应电机、三相
35、电压型PWM逆变器、电子控制器、减速器和差速器组成。 多电机系统由多个电机、多个逆变器、集中或分布式控制器和可变速比的变速器组成。 这两种结构各有各的优点，在现代电动汽车上都有应用。这两种结构的特点是：三相感应电机是专门设计的、并与驱动桥集成为一体；三相PWM逆变器具有再生制动的功能，并有轻微的谐波失真；电子控制器能完成电机的各种驱动控制；采用固定速比的减速器提供爬坡时的低速大转矩。,感应电机,用于电力驱动的感应电机在原理上与工业中用的感应电机基本相同。然而，这种电机需要专门设计，转子铁芯和定子铁芯由薄硅钢片叠加而成，以减少铁损，鼠笼采用铜条减少线圈损失，定子铁芯采用C级绝缘，可直接用低粘度的
36、油来冷却，采用铸铝机座来减小电机总重量。尽管电机的电压等级受电动汽车动力电池的数量、重量和类型的限制，但仍需合理采用高电压和低电流的电机设计，以减少功率逆变器的成本和体积。尽管轴承摩擦、通风损失以及驱动桥配合公差影响电机的最大转速，但仍需采用高速运行使电机的尺寸和重量最小化，弱磁控制要求杂散电抗小 。电动汽车运行时的电机工作特性，爬坡时要求低速高转矩，巡航要求高速低转矩，车辆超车时具有瞬时超负载能力。 为了优化电机的几何形状和参数, 通常使用CAD 技术，一般用两维有限元方法(FEM)实现静态和动态电磁场分析。基于感应电机热力场分析的三维有限元方法(FEM)现在特别受欢迎。由于电机起动时的表面
37、效应会引起损失密度分布随时间变化，因此会在转子条和端环上产生严重的瞬时热应力。图是基于热力场FEM分析的电动汽车感应电机一个转子槽距的瞬时温度分布。,感应电机的设计主要考虑定子铁芯的内外径、铁芯长度、气隙长度、磁级数、定子槽数、转子槽数、定子齿宽和槽深、转子齿宽和槽深、每相线圈匝数、槽满率, 单位磁路的磁通密度、感应电流, 单位热回路的热阻抗、转速、转矩和效率, 单位重量转矩、铜铁芯和磁铁芯的重量等。,逆变器,电动汽车驱动中，感应电机使用的几乎都是专用的三相电压型PWM逆变器，逆变器的设计很大程度上依赖于功率器件的技术。目前, 基于逆变器的 IGBT最受人青睐，被许多现代电动汽车采用。由于硬开
38、关逆变器的拓扑结构几乎是固定不变的，所以逆变器的设计通常取决于功率器件的选择和PWM 的变换方案。 选择功率器件的标准是：由于变换过程中会产生浪涌电压，所以要求其额定电压至少是蓄电池额定电压的两倍，；要求额定电流足够大，不需要再并联功率器件；为抑制谐波和噪音，要求开关速度足够高。功率器件模块是二合一型, 即 两个元件串联,并且每个元件上跨接一个反并联二极管, 使布线和干扰电阻最小。另一方面，选择PWM 变换方案时，要求其输出基波的幅值和频率能平稳变化；输出谐波失真最小；开关算法要求用尽可能少的硬件和软件实时执行；在蓄电池电压波动大的情况下，比如-35%+25%，控制器不能失去控制。 有许多可用
39、的PWM方案，如正弦波 PWM、均衡 PWM、优化PWM、三角波PWM、 随机 PWM、 等效面积PWM、 滞环 PWM和 空间矢量PWM 等。其中电流控制滞环PWM和空间矢量PWM在电动汽车感应电机驱动中得到了广泛应用。电压控制型等面积PWM方案是专门为以蓄电池为动力的电动汽车感应电机驱动设计的。,改进的软开关逆变器的拓扑结构,自1986年直流电路的逆变器问世以来，人们就一直为感应驱动电机开发软开关逆变器。接着，人们又提出了许多改进的软开关逆变器的拓扑结构，如谐振直流电路、串联谐振直流电路、并联谐振直流电路、同步谐振直流电路、谐振变换、辅助谐振整流极和辅助谐振缓冲逆变器。其中，辅助谐振缓冲逆
40、变器(ARS)是专门为电动汽车驱动开发的。 通过采用辅助开关、谐振感应线圈和谐振缓冲电容可得到软开关的条件，ARS逆变器的两种三相拓扑结构如图所示 -ARS 逆变器在电动汽车驱动中更受青睐，因为它有大功率的容量、没有漂移电压或过压给辅助功率开关带来危害、不需要另外安装电压或电流传感器、其谐振开关没有跨接反并联的快速可逆恢复二极管等。 尽管逆变器实际应用之前还需要不断完善，尤其应降低它的控制复杂性，同时为确保感应电机驱动变速控制，需要修正它的PWM开关方案。实际商业化的电动汽车电力驱动系统中，还没有使用软开关逆变器。,三相 ARS逆变器拓扑结构.,星形结构,三角形结构,单相 ARS逆变器工作原理
41、及模式,工作过程对应的波形,感应电机转速控制,由于感应电机的直轴和交轴的磁耦合作用，导致它动态模型的高度非线性，使得感应电机的控制比直流电机要复杂得多。为了实现感应电机的理想控制，许多新的控制方法被应用到电动汽车的感应电机驱动中来，其中较为成功的是，变压变频 (VVVF)控制、磁场定向控制(FOC) 也称矢量控制或解耦控制、变极控制。 感应电机转速控制的基本方程为：,式中N是电机转速, NS是同步旋转磁场转速, p 是磁极对数， f 是电源频率。通过改变f, p 和 s 来控制电机转速，一般采用控制多种变量的方法。高级的控制策略和复杂控制算法如自适应控制、变结构控制和最优控制等已经得以使用，以
42、获得快速响应、高效率和宽转速范围。,VVVF 控制,此方法是在基频以下用恒压恒频控制，基频以上用变频恒压控制。在频率很低时，定子阻抗下降，通过提高电压来补偿电源电压与感应电动势之间的压降。第一段在电机频率低于基频时，产生额定转矩，称为恒转矩区；在第二段，定子电压保持恒定，滑差增加到最大值，电机功率维持在额定值不变。在高速区，滑差维持常数，而定子电流衰减，转矩以速度的平方减少。因为变压变频控制方法具有气隙磁通偏移和延时响应等缺点，在高性能电动汽车的驱动中较少使用这种方法。,矢量控制,为了改善电动汽车感应驱动电机的动态特性，应优先选择FOC 而不是VVVF控制。通过使用FOC控制, 把静态参考坐标
43、系（d-q坐标系）变换为同步旋转坐标系下（x-y坐标系）的新数学模型，如图所示。这样，电机的所有变量如电源电压Vs、定子电流is、转子电流ir和转子磁通链r在稳态时可用标量表示。当x轴与转子磁通链矢量的方向一致时，参考坐标系(-坐标系)就与转子磁通同步旋转，如图所示。这里is和is分别是定子电流在轴和轴上的分量。电机转矩T为：式中M是绕组间的互感， Lr 是转子绕组的自感。r可写成Mis，因此转矩方程可写成：Is可作为is的励磁分量，其作用是建立气隙磁通，而is可作为is的转矩分量，产生期望的电机转矩。因此只要保持励磁分量不变，通过采用FOC方法，调节转矩分量就可有效地控制电机转矩。 实现FO
44、C的方法分成两类，直接FOC 和间接FOC 。直接FOC 需要直接测量转子磁通，增加了实施的复杂性和低速测量时的不可靠性，很少用于电动汽车的驱动。间接FOC是用计算代替直接测量决定转子磁通，比直接FOC更容易实现，因此，间接 FOC在高性能电动汽车驱动中的应用具有很好的前景。,自适应控制,尽管间接FOC在高性能感应电机驱动中得到了广泛应用, 但应用在电动汽车中仍存在许多缺点。特别是转子时间常数Lr/Rr(对解耦有重要影响) 随工作温度和磁饱和度的变化会发生很大变化，导致 FOC控制性能变差。 一般有两种方法可解决这个问题，一种方法是对转子时间常数在线辩识，采用FOC控制器来更新参数；另一种方法
45、是用复杂的控制算法使FOC控制器不受电机参数变化的影响。,效率优化控制,感应电机驱动采用传统的FOC , 控制电流的励磁分量在恒功率区负载变化时基本保持不变。大部分运行条件下，它的铁芯损耗没有铜耗明显，因此传统的FOC能提供最大的单位安培转矩。 但是轻载运行时，铁耗与铜耗相当，会使效率很低。电动汽车在运行过程中，由于车载能量有限、负载和速度变化范围大，电动汽车电机驱动系统的效率应在整个运行区优化。,变极控制,改变感应驱动电机的极对数可调节旋转磁场的同步转速。鼠笼电机比绕线式电机优点多，能自动使转子的极数适合定子的极数。早期，变极控制由机械接触器来实现，只能获得不连续的两三个转速。随着功率电子和
46、控制技术的发展，变极控制能用电子控制的方式来实现，基本原理如图所示。每相定子绕组由两组线圈组成，线圈组电流方向的变化使极对数发生变化。 一种新型双逆变器的6相变极控制的电动汽车感应电机驱动系统如图所示，能用4极和8极运行，对应的最大转矩特性如图所示。 因此，高速恒功率区得以延伸，特别适合于电动汽车巡航。,4.4 永磁电机,永磁驱动电机的分类多种多样，根据输入电机接线端的波形，可分为： 永磁直流电机 永磁交流电机 由于永磁交流驱动电机没有电刷、换向器或滑环，因此也可称为永磁无刷驱动电机。 根据输入电机接线端的交流波形，永磁无刷电机可分为永磁同步电机和永磁无刷直流电机。 输入永磁同步电机的是交流正
47、弦或近似正弦波，采用连续转子位置反馈信号来控制换向； 而永磁无刷直流电机输入的是交流方波，采用离散转子位置反馈信号控制换向。由于方波磁场与方波电流之间相互作用而产生的转矩比正弦波大，所以，永磁无刷直流电机的功率密度大，但是由功率器件的换向电流引起的转矩脉动也大，而正弦波产生的转矩基本是恒转矩或平稳转矩，这与绕线转子同步电机相同。,4.41 永磁混合式电机,这种电机的特点是既有永磁体又有励磁绕组。永磁体通常嵌入转子之中，励磁绕组固定于定子之上。这种驱动电机没有采用任何特殊的控制策略，通过调节直流励磁电流来控制气隙磁通，就可获得比其他永磁电机宽的转速范围。特别是在高速区，弱磁控制能很好的满足电动汽
48、车恒功率运行的要求。 由于这种电机的结构和磁路与其它电机不同，它可归为另一类永磁无刷电机。因此，永磁电机可分为以下几类： 永磁直流电机； 永磁同步电机； 永磁无刷直流电机； 永磁混合式电机。 后三类统称为永磁无刷电机，由于没有传统直流电机的电刷和换向器，因此永磁无刷电机几乎可与感应电机竞争媲美。,永磁材料的性能,钕-铁-硼 (Nd-Fe-B) 永磁材料自从1983年被发现之后，由于它具有最高的剩磁和矫顽力，以及相对低的价格，使得它在永磁电机中具有很好的应用前景。永磁材料的特性通常与温度有关，一般永磁体随温度的增加而失去剩磁，如果永磁体的温度超过居里温度，则其磁性为零。退磁特性曲线也随温度变化，
49、在一定温度范围内，其变化是可逆的，且近似线性。因此，在设计永磁电机时，必须考虑电机运行过程中温度的变化范围。,4.42 永磁直流电机,用永磁体代替励磁线圈和磁极,传统的绕线式励磁直流电机就变成了永磁直流电机。使用永磁体可节省空间、减少励磁损失，因此永磁直流电机的功率密度和效率较高，永磁体的磁导率低，因而可以减少永磁直流电机的电枢反应，使换向得以改善。这些优点促进了它在电力驱动中的应用。 与绕线式励磁直流驱动电机类似，永磁直流驱动电机也采用变压控制的直流斩波器输入。二者的不同之处在于永磁直流驱动电机的励磁不能控制，而绕线励磁直流电机的励磁电流可用另外一种斩波器单独控制，因此永磁电机不能得到类似于
50、绕线直流电机的工作特性。 与绕线励磁直流电机一样, 永磁直流驱动电机的缺点是存在换向器和电刷。换向器会产生转矩波动,同时电刷会带来摩擦和射频干扰(RFI)，而且换向器和电刷需要定期维护，因而它们在电力驱动中不再具有吸引力。不过, 由于这类电机控制简单，在低功率的电动汽车如电动自行车和电动三轮车中仍然有所应用。,4.43 永磁无刷电机,永磁无刷电机是电力驱动感应电机的最有力的竞争对手。 它的优点如下： 由于电机由高能永磁材料励磁，对于给定的输出功率，它的重量和体积能够大大减小，使得功率密度提高。 由于转子无绕组，无铜损，其效率高于感应电机。 电机发热主要集中在定子上，易于采取措施散热。 永磁励磁不受制造缺陷、过热或机械损坏的限制，因而可靠性较高。 转子电磁时间常数小，动态性能好。,
