電動汽車所用電機控制器的性能簡介及選擇
2009-04-29 00:00:00唐惠龍
電腦知識與技術 2009年24期
摘要:該文簡要介紹電動汽車常用電機控制器的種類、結構、工作原理、特點和選擇。
關鍵詞:電動汽車;電機控制器;種類;原理;結構;特點
中圖分類號:TP332文獻標識碼:A文章編號:1009-3044(2009)24-6904-03
The Performance and Choices of Electric Vehicle Motors-controller
TANG Hui-long
(Baoji Vocational Technology College， Baoji 721013， China)
Abstract: The paper deseribes the classifications，structures，priciple，and performance of Eletric Vhicle Motors-controller，and the choices of Electric Vehicle Motors-controller.
Key words: electric vehicle; driving_motor_controller; classifications; principle; structure; control; feature
隨著全球能源危機的不斷加深，石油資源的日趨枯竭以及大氣污染、全球氣溫上升的不斷加劇，各國政府及企業普遍認識到節能和減排是未來汽車發展的主攻方向，發展電動汽車將是解決這兩個技術難題的最佳途徑。大力開發電動汽車將成為必然趨勢，而城市車輛和轎車是優先向電動化發展的汽車種類。自1996年來，已有3種類型的電動汽車問世，即純電動汽車(PEV) 、混合動力汽車(HEV)以及燃料電池電動汽車(FCEV)和派生出的一種外接充電式混合動力汽車(Plug—in)。
電動汽車雖然種類不一，但所用的牽引電機基本上大同小異，所采用的控制、調速方式基本上相同。電動汽車在不同時期采用了不同的牽引電機和控制、調速方式 。最早采用的是直流牽引電機和直流斬流器的控制、調速方式。隨著電子技術和自動控制技術的發展，交流電動機、永磁電動機和開關磁阻電動機顯示出比直流電動機更為優越的性能，這些電動機正在逐步取代直流電動機，與之相適應的新的控制、調速方式也隨之產生。
1 對控制、調速系統的要求
電機汽車驅動系統的控制方案取決于電動汽車所要求的動力性能，因此采用何種調速控制技術是十分重要的。就目前的驅動電機種類來說，主要有以下幾種方式，第一種用直流電機驅動;第二種用永磁同步電機驅動;第三種用三相交流異步電機驅動。當然隨著技術的不斷發展還會不斷產生新的驅動電機和與之相適應的控制方式。不管采用什么控制、調速方式，總的要求是:控制系統安全、可靠，調速性能良好;有良好的起動、制動性能;能滿足電動汽車的加速性能;效率高、能耗小;性價比高，維護性好。
2 以直流電機為驅動電機的直流斬波器控制、調速系統
較早開發的電動汽車基本上都是以直流電機作為驅動電機的，即是現在開發設計的一些電動汽車由于直流電機及相應的控制系統都比較成熟仍然采用直流電機驅動的。
2.1 直流斬波器的結構及工作原理
在如圖1(a)所示的直流斬波器電路中，隨著開關T的通斷，在開關管T導通期間電感中有電流流過，且二極管D反向偏置，導致電感兩端呈現正電壓，在該電作用下電感中的電流線性增長。其等效電路如圖1(b)所示。當觸發脈沖在另一時刻使開關管T斷開時，由于電感中已存儲了能量，二極管D此時承受正向電壓而導通，電感中存儲的磁場能會通過續流二極管D流經負載，其等效電路如圖1(c)所示。
通過以上分析可知，當輸入電壓為Ud時，直流斬波器的輸出電壓為Uo，
Uo=DUd
D是0～1之間變化的系數，因此在D的變化范圍內，輸出電壓平均值Uo總是小于輸入直流電壓Ud，只要改變D的值，就可以改變輸出電壓平均值的大小，從而改變加在直流牽引電機電樞繞組兩端的電壓達到調速的目的。
2.2 直流PWM控制技術
在如圖2所示的全橋變換電路中，如果電路的輸入為直流電壓Ud，在不同的控制方式下，可輸出幅度和極性均可變的直流電壓Uo。
在雙極型電壓PWM控制方式中，開關管T1、T2和T3、T4分為兩組，各組具有相同的驅動脈沖ug，在理想條件下，橋臂上開關管T1|、T2和T3、T4互補導通。
直流控制電壓ur與三角波電壓uc比較產生兩組開關的PWM控制信號。當ur>uc時，T1和T4導通，T2和T3關斷，當ur UO=(2D1-1)Ud D1=ton/TS是第一組開關的占空比(第二組開關的占空比為D2=1-D1)。Ton為開關管導通時間，TS為周期。由波形圖看出，當ton=TS/2時，變換器的輸出電壓為零;當ton 在理想條件下，UO的大小和極性只受占空比D1的控制，而與輸出電流iO無關。在直流電機驅動中，可方便地實現可逆調速。 由于直流電機與三相異步電機相比存在結構上有電刷、換向器等易磨損件，維修保養困難、壽命較短、使用環境要求高、結構復雜、效率低、質量大以及體積大、耗材多等缺點。因此目前電動汽車的驅動系統很少用直流電機，因此直流斬波器、直流PWM控制技術在電動汽車上也不在使用。 3 以三相鼠籠式感應電機為驅動電機的交流變頻器控制、調速系統 三相鼠籠式感應電機的基本調速方式有調壓調速、變極調速和變頻調速。目前主要用VVVF式(變頻變壓控制)和FOC(磁場定向控制)也稱矩量控制。VVVF控制應用廣泛，動靜態性能優良的矢量控制可與直流調速相媲美，而控制簡單動態性能好的直接轉矩控制在機車牽引等領域顯示了廣闊的應用前景。在牽引控制中，為了獲得寬的調速范圍，感應電機控制一般分為三個階段:1)保持轉差S不變，調節定子電流，獲得恒轉矩區;2)保持定子額定電壓U不變，調節定子電流，獲得恒功率區;3)保持定子額定電壓不變，調節轉差低轉矩高轉速區。 3.1 三相橋式逆變電路的SPWM控制 電壓型三相橋式逆電路如四所示，其控制方式為雙極性方式。U、V、W三相的PWM控制公用一個三角波載波信號uc，三相調制信號urU、urV、urW分別為三相正弦信號，其幅值和頻率均相等，相位依次相差1200。U、V、W三相PWM控制規律相同。以U相為例，工作原理如下:當urU>uc時，使T1導通，T4關斷，則U相相對于直流電源假想中性點N的輸出電壓為uUN'=Ud/2;當urU 通過對輸出脈沖寬度的控制就可以改變輸出電壓的大小，從而達到調速的目的。 3.2 變頻器的結構及工作原理 結構如圖6所示，由二極管整流電路、能耗制動電路、逆變電路和控制電路組成，逆變電路采用IGBT器件，為三相橋式SPWM逆變電路。 工作原理:以雙極性SPWM控制方式為例，電路如圖7所示，工作波形如圖8所示。 在ur的正負半周內，在調制信號ur和載波信號uc的交點時刻控制各開關器件的通斷。當ur > uc時，使晶體管T1 、T4導通，使T2 、T3關斷，此時，u0= Ud;當ur < uc時，使晶體管T2 、T3導通，使T1 、T4關斷，此時，u0=-Ud。 在ur的一個周期內，PWM輸出只有±Ud兩種電平。逆變電路同一相上下兩臂的驅動信號是互補的。在實際應用時，為了防止上下兩個橋臂同時導通而造成短路，在給一個臂施加關斷信號后，再延遲△t時間，然后給另一個臂施加導通信號。延遲時間的長短取決于功率開關器件的關斷時間。需要指出的是，這個延遲時間將會給輸出的PWM波形帶來不利影響，使其偏離正弦波。 4 以永磁同步電機作為驅動電機的控制、調速系統 永磁同步機根據定子電流波形的不同可分為矩形波同步永磁電機和正弦波永磁同步電機，而矩形波永磁同步電機又稱為永磁無刷直流電機。變頻調速是永磁同步電機的基本調速方式，其基本原理與感應電機的變頻調速原理相同。在理想情況下，永磁無刷直流電機的氣隙磁通是矩形波，定子電動勢也是矩形波，三相合成產生恒定的電磁轉矩，沒有轉矩紋波。而實際工作時由于磁飽和等因素的影響會產品生脈動的梯形波電磁轉矩。永磁無刷電機、轉子位置傳感器和逆變器構成自控式永磁無刷直流電機，通過轉子位置傳感器提供的信號控制變壓變頻裝置的逆變器換流，從而達到改變定子繞組的供電頻率。 5 控制器的選擇 控制器的選擇主要依據電動汽車所用驅動電機的情況而定，當驅動電機為直流電機時可采用直流斬波器或PWM調速方式;當驅動電機為交流電機時可采用三相交流PWM或變頻調速方式。以直流電機驅動為例，電機控制器的選擇如下:首先選擇電壓等級，當電池電壓確定后即可確定電機控制器的電壓等級。關鍵是確定電機控制器的容量，也就是說電流大小的確定，電機控制器電流大小的確定，主要依據電機的容量來確定。如果電池的電壓等級為312V，電機的電壓等級為230V，電機為YQ57型的變頻牽引異步電動機，則電機控制器電流的選擇可依公式計算可得:電機的額定電流IN=192A，低速起動時的起動轉矩為2TN，，對應的起動電流約為2IN，再考慮安全余量，電機控制器的電流大小選擇為600A。 6 結束語 由以上介紹可知，電機控制器是電動汽車的主要部件之一。直流電動機很早就被用作電動汽車的驅動電機，因此，直流驅動系統技術成熟，在早期產生的電動汽車上有很大一部分是采用直流牽引電動機和與之相對應的直流驅動技術主。新型電動汽車正在越來越多的采用性能更為優越的交流電動機、永磁電動機和開關磁阻電動機，并向大功率、高轉速、高效率和小型化方向發展，隨著新型驅動電機的應用，新的驅動技術也正在越來越廣泛地應用在電動汽車上，加上新型電池的出現，將會大大推動電動汽車的發展。 參考文獻: [1] 徐虎.電機與拖動基礎[M].北京:機械工業出版社，2002. [2] 許曉峰.電機及拖動[M].北京:機械工業出版社，2004. [3] 浣喜明 姚為正.電力電子技術[M].北京:高等教育出版社，2004. [4] 曾方.電力電子技術[M] 西安:西安電子科技大學出版社，2004. [5] 李書田.機電一體化職業培訓教程[M].北京:中央廣播電視大學出版社，2008. [6] 牟宏均.電動汽車所用牽引電機的性能簡介及選擇[J].電腦知識與技術，2009，5(18):4921-4923.
