電動(dòng)汽車電機(jī)控制器原理及技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)研究
2017年08月29日
發(fā)展電動(dòng)汽車第一個(gè)瓶頸是動(dòng)力電池,第二個(gè)瓶頸是電動(dòng)汽車電機(jī)控制器。過(guò)去無(wú)軌電車的供電是由滑觸網(wǎng)在線提供的,一直用的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)汽車,后來(lái)也改成交流電動(dòng)機(jī)了。目前電動(dòng)汽車都是用的交流電機(jī)。動(dòng)力由車載儲(chǔ)電池提供,電池對(duì)車輛只能提供直流電。電池提供的直流電,而電機(jī)又要求是交流電。也就是說(shuō),必須把直流電變成交流電,才能驅(qū)動(dòng)交流電動(dòng)機(jī)工作。電動(dòng)汽車越來(lái)越普及,要求了解更多知識(shí)的人也越來(lái)越多了。下面對(duì)電動(dòng)汽車電機(jī)控制器原理及技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)予以介紹。
一、電是一種自然現(xiàn)象及分類
電是一種自然現(xiàn)象,指電子運(yùn)動(dòng)所帶來(lái)的現(xiàn)象,是靜止或移動(dòng)的電荷所產(chǎn)生的物理現(xiàn)象。電流是指帶電粒子的定向移動(dòng)。工業(yè)用電多指電流,電流在負(fù)載端永遠(yuǎn)是正極流向負(fù)極。這一點(diǎn)與自然界的水流動(dòng)相似,永遠(yuǎn)從高處(正極)流向低處(負(fù)極)。
直流電是指電流在導(dǎo)體內(nèi)流向不隨時(shí)間變化,而交流電在導(dǎo)體內(nèi)流向隨時(shí)間成交替變化。工業(yè)上的直流電在時(shí)間軸上表現(xiàn)一條直線,即變化頻率為0,工業(yè)上交流電在時(shí)間軸上表現(xiàn)為正弦波變化,在中國(guó)這個(gè)正弦波變化頻率為50赫茲,即1秒正弦波變化50次。
電是攜帶能量的,就說(shuō)成電能。能是有力量的,于是電能可以做功,比如驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)。
二、電機(jī)及分類
用電能驅(qū)動(dòng)能旋轉(zhuǎn)的機(jī)器,叫電機(jī)。用直流電驅(qū)動(dòng)電機(jī),叫直流電機(jī),用交流電驅(qū)動(dòng)的電機(jī),叫交流電機(jī)?；诓煌芯磕康?電機(jī)的分類繁多。目前電動(dòng)汽車的電機(jī)基本上用的交流電機(jī),目前主流車用的主流電機(jī)是永磁交流電機(jī)。永磁交流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn),主要有3個(gè)方面:
①結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,運(yùn)行可靠;
②體積小,質(zhì)量輕;損耗小,效率高;
③電機(jī)的形狀和尺寸可以靈活多樣等。
三、電機(jī)及控制器的原理
電機(jī)及控制器的原理見(jiàn)圖1。電機(jī)驅(qū)動(dòng)汽車前行,而電機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作。電機(jī)控制器由逆變器和控制器兩部分組成。逆變器接收電池輸送過(guò)來(lái)的直流電電能,逆變成三相交流電給汽車電機(jī)提供電源?？刂破鹘邮茈姍C(jī)轉(zhuǎn)速等信號(hào)反饋到儀表,當(dāng)發(fā)生制動(dòng)或者加速行為時(shí),控制器控制變頻器頻率的升降,從而達(dá)到加速或者減速的目的。
圖1 電機(jī)及控制器的原理
四、電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)分類
電動(dòng)汽車的負(fù)載是隨機(jī)變化的,具體表現(xiàn)為,車輛行駛方向有前行和倒退,有加速和減速。電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的基本功能是控制電機(jī)的工作,確保汽車的前行和倒退、加速和減速自如。
基本分類:
①直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng): 一般采用脈寬調(diào)制(PWM)斬波控制方式,其特點(diǎn)是控制技術(shù)簡(jiǎn)單、成熟、成本低,但效率低、體積大等。
②交流感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) : 一般采用脈寬調(diào)制(PWM)斬波控制方式,高壓直流到三相交流的電源變換,采用變頻調(diào)速方式實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速,采用矢量控制或直接轉(zhuǎn)矩控制策略實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制的快速響應(yīng)。
③交流永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) :目前主流的是采用PWM方式實(shí)現(xiàn)高壓直流到三相交流的電源變換,采用變頻調(diào)速方式實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速,其低速轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小且高速恒功率區(qū)調(diào)速更穩(wěn)定。
目前純電動(dòng)汽車主流用的是:永磁同步電機(jī),采用稀土永磁體勵(lì)磁,與感應(yīng)電機(jī)相比不需要?jiǎng)?lì)磁電路,具有效率高、功率密度大、控制精度高、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小等特點(diǎn)。
五、電動(dòng)汽車電機(jī)控制器基本趨勢(shì)是集成
目前城市配送電動(dòng)車電機(jī)控制器已經(jīng)做到“五合一”水平,代表發(fā)展方向。目前的產(chǎn)品有5大類:
①單主驅(qū)控制器、輔件三合一控制器(集成:EHPS控制器+ACM控制器+DCDC);
②輔件五合一控制器(集成:EHPS控制器+ACM控制器+DCDC+PDU+雙源EPS控制器);
③乘用車控制器(集成:主驅(qū)+DCDC);
④物流車三合一控制器(集成:主驅(qū)+DCDC+PDU);
⑤物流車五合一控制器(集成:主驅(qū)+EHPS控制器+ACM控制器+DCDC+PDU)。
六、多合一的電機(jī)控制器功能介紹
①基本功能:通過(guò)逆變橋調(diào)制輸出正玄波來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī);
②配電回路:為集成控制器其他部分提供配電,如TM接觸器、熔斷器、電空調(diào)回路供電、電除霜回路供電等等;
③IGBT驅(qū)動(dòng)回路:接收控制信號(hào),驅(qū)動(dòng)IGBT并反饋狀態(tài),提供電壓隔離以及保護(hù);
④輔助電源:為控制電路提供電源,為驅(qū)動(dòng)電路提供隔離電源;
⑤DSP電路:接收整車控制指令,并提供反饋信息,檢測(cè)電機(jī)系統(tǒng)傳感器信息,根據(jù)指令傳輸電機(jī)控制信號(hào);
⑥結(jié)構(gòu)與散熱系統(tǒng):為電機(jī)控制器提供散熱,提供控制器安裝支持,提供控制器安全防護(hù)。
七、電動(dòng)汽車電機(jī)控制器技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)
①高安全性,這個(gè)是基本要求。集成功能越來(lái)越多,安全要求越高。
②高功率密度化。外形體積隨分裝向小型化發(fā)展。
③高壓化是基本趨勢(shì)。IGBT的方向是650V IGBT的設(shè)計(jì)往更高的750V以及1200V 。
④EMC等級(jí)越來(lái)越高。接下來(lái)要做到class5水平。
八、小結(jié)
發(fā)展電動(dòng)汽車,電控部分的技術(shù)含量是很高的,尤其是電機(jī)控制器,目前中國(guó)在電機(jī)控制器的集成方面進(jìn)步是相當(dāng)快的,但是關(guān)鍵的電子器件(如IGBT)主要還要依靠外商提供。
特斯拉電機(jī)為什么可以做的這么?。?/span>
影響電機(jī)輸出功率的兩個(gè)因素，一個(gè)是轉(zhuǎn)速，一個(gè)是扭矩。兩者的乘積高了，功率就大了。
特斯拉的電機(jī)功率大，原因也是一樣。他有超過(guò)10000轉(zhuǎn)的最高轉(zhuǎn)速和600NM的扭矩，當(dāng)然他的恒扭矩區(qū)在0～5500rpm,以上是恒功率區(qū)，轉(zhuǎn)速提高扭矩同比例下降。
所以問(wèn)題又變成怎么在那么小的體積下實(shí)現(xiàn)10000轉(zhuǎn)的高轉(zhuǎn)速和怎么提供600NM的大扭矩？
機(jī)械上實(shí)現(xiàn)10000轉(zhuǎn)是容易的，做好動(dòng)平衡，用高轉(zhuǎn)速的軸承。
電路上面呢？需要轉(zhuǎn)子通過(guò)高頻高壓的大電流，什么概念？大約是500Hz、350V，1000A，我說(shuō)的是大致的范圍。
帶來(lái)的問(wèn)題：耐壓相對(duì)好解決（其實(shí)也有點(diǎn)難的），大電流需要很粗的導(dǎo)電截面，高頻率會(huì)有很強(qiáng)的趨膚效應(yīng)這是矛盾。
特斯拉怎么解決：多股線，盡可能短的線圈端部，還有是高溫高頻的承受力，相應(yīng)的線圈、定子的散熱，妙招是一體化的變頻器和異步電機(jī)。
變頻器一體化后，EMC的問(wèn)題容易解決了。
異步電機(jī)是容易做到平穩(wěn)驅(qū)動(dòng)，可以高效的驅(qū)動(dòng)到很高速，這是相對(duì)永磁同步電機(jī)的明顯優(yōu)勢(shì)。
因?yàn)殡姍C(jī)有一個(gè)額定工作轉(zhuǎn)速，高于此轉(zhuǎn)速需要超電壓或者是弱磁驅(qū)動(dòng)，異步電機(jī)弱磁很容易，只要減小相應(yīng)的勵(lì)磁電流就可以了。永磁同步也可以弱磁，需要增加一個(gè)相應(yīng)的去勵(lì)磁的電流?？偟碾娏鞯某惺苣芰τ邢?，所以異步的優(yōu)勢(shì)就明顯。
扭矩怎么辦：增加磁場(chǎng)，提高磁場(chǎng)的有效利用率。
怎么增加：定子、轉(zhuǎn)子的深槽型，增加導(dǎo)磁截面，還有轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的一致性，減小端部的損失（他們有一個(gè)zhuanli描述）。銅轉(zhuǎn)子？更多的還是通過(guò)增加導(dǎo)磁截面來(lái)提高轉(zhuǎn)矩。只是通過(guò)降低轉(zhuǎn)子導(dǎo)體電阻，最大扭矩沒(méi)有增加。
然后還有一個(gè)因素：一體控制器和電機(jī)設(shè)計(jì)，電機(jī)可以以最大扭矩運(yùn)行，我們通常的異步電機(jī)的額定扭矩只有最大扭矩的50%不到。
綜合：轉(zhuǎn)速上提高了4倍，扭矩上提高了4倍，總體上就驚人了。
由此：我們要跟上還是有可能的。