汽车电驱动技术第5章电动汽车的电机驱动系统

1、汽车电驱动技术,第五章 电动汽车的电机驱动系统,教学提纲,电动汽车电机驱动系统综述 直流电机驱动系统的组成和工作原理 交流感应电机驱动系统的组成和工作原理 永磁电机驱动系统的组成和工作原理 开关磁阻电机驱动系统的组成和工作原理 电动汽车电机驱动系统关键部件,电动汽车电机驱动系统综述,电动汽车的驱动系统把电能转化为机械能，并通过传动装置(或直接)将能量传递到车轮进而驱动车辆按照驾驶员意志行驶。它在电动汽车上的具体任务是：在驾驶员操纵控制下，将内燃机发电机系统、动力电池组的电能转化为车轮的动能驱动车辆，并在车辆制动时把车辆的动能再生为电能反馈到动力电池中以实现车辆的再生制动。,电源 变换器,直流电源,控制电路,控制器,电动机,电动汽车电机驱动系统综述,电动汽车电机驱动系统的特点如下: 以电磁转矩为控制目标，加速踏板和制动踏板的开度是电磁转矩给定的目标值，要求转矩响应迅速，波动小; 电动汽车要求驱动电机要有较宽的调速范围，最高转速是基速的2倍以上，电机能在四象限内工作; 为保证加速时间，要求电机低速时有大的转矩输出和较大的过载倍数，峰值转矩一般为额定转矩的2倍以上，峰值功率一般为额定功率的1

2、.5倍以上，且峰值转矩和峰值功率的工作时间一般要求5分钟以上，为保证汽车能跑到最高车速，要求电机高速区处有一定的功率输出； 驱动系统高效，电磁兼容性好，易于维护; 良好的可靠性、耐温和耐潮湿，可以在恶劣的环境条件下长时期运转，结构简单，适合批量生产。,电动汽车电机驱动系统综述,电动汽车电机驱动系统对于电机的要求: 高电压。在允许的范围内，尽可能采用高电压，可以减小电动机和导线等装备的尺寸，特别是可以降低功率变换器的成本。 小质量。电动机应尽量采用铝合金外壳，以降低电动机的质量，还要设法降低电动机控制器的质量和冷却系统的质量。 较大的启动转矩和较大的调速范围，使电动汽车有好的启动、加速性能，获得启动、加速、行驶、减速、制动所需的功率与转矩。 高效率、低损耗。应在车辆减速时，实现再生制动能量回收，再生制动回收能量能达到总能量的10%15%。 电气系统的安全性和控制系统的安全性都必须符合国家（或国际）有关车辆电气控制安全性能的标准和规定，装备有高压保护设备。 高可靠性。耐温和耐潮性能强，运行时噪声低，能够在较恶劣的环境下长时间工作，结构简单，适合大批量生产，使用维修方便。,电动汽车电机驱动系

3、统综述,目前常用的电驱动系统有四种: 直流电机(DCMotor)驱动系统，电机控制器一般采用脉宽调制(PWM)斩波控制方式; 交流感应电机(ACIM)驱动系统，电机控制器采用PWM方式实现高压直流到三相交流的电源变换，采用变频调速方式实现电机调速，采用矢量控制或直接转矩控制策略实现电机转矩控制的快速响应; 永磁同步电机驱动系统，包括正弦波永磁同步电机(PMSM)及其控制系统和矩形波无刷直流电机(BDCM)及其控制系统，由于前者低速转矩脉动更小且高速恒功率区调速更稳定，因此比后者具有更好的应用前景，正弦波永磁同步电机(PMSM)及其控制系统中的电机控制器采用PWM方式实现高压直流到三相交流的电源变换，采用变频调速方式实现电机调速;,目前常用的电驱动系统有四种: 开关磁阻(SR)电机驱动系统. 转子无永磁体或绕组设计，控制方式类似步进电机控制，可以认为是大步距角、利用磁阻效应控制的功率型驱动电机系统.,其他新型电机驱动系统 续流增磁电机及其控制系统. 结合永磁直流电机高效和串励电机大转矩的特点，电机采用永磁加增磁绕组复合励磁方式，增磁绕组接到电机控制系统的续流回路中，电机低速时利用续流增磁

4、输出大转矩，电机高速时增磁绕组自动提速，电机及其控制系统与车辆驱动需求能得到很好的匹配，且系统具有效率高和转速-转矩全部工作范围的高效工作区宽的特点。,电动汽车电机驱动系统综述,电动汽车电机驱动系统综述,电动汽车电机驱动系统综述,电动汽车电机驱动系统电机的主要性能参数: 额定电压在额定运行时，电动机定子或转子绕组应输入的电压值； 额定电流在额定电压下，电动机轴上输出的机械功率为额定功率时，电动机定子或转子绕组通过的线电流值； 额定转速在额定电压输入下，以额定功率输出时对应的电动机输出转速； 额定转矩电机在额定功率和额定转速下的输出转矩； 额定功率在额定条件下，电动机轴上输出的机械功率； 额定效率在额定运行时电动机轴上输出的机械功率与电动机在额定运行时电源输入到电动机的功率之比值,电动汽车电机驱动系统综述,电动汽车电机驱动系统电机的主要性能参数: 电机及控制器整体效率电机转轴输出功率除以控制器输入功率； 最高工作转速相应于电动汽车最高设计车速的电机转速 最高机械转速在无带载条件下，电机允许旋转的最高转速； 峰值功率在规定的时间内，电机允许输出的最大输出功率； 峰值转矩电机在规定的持续时间

5、内允许输出的最大转矩； 堵转转矩电机转子在所有角位堵住时所产生的转矩最小测得值； 温升 电机在运行时允许升高的最高温度。,电动汽车电机驱动系统综述,电动汽车电机驱动系统综述,教学提纲,电动汽车电机驱动系统综述 直流电机驱动系统的组成和工作原理 交流感应电机驱动系统的组成和工作原理 永磁电机驱动系统的组成和工作原理 开关磁阻电机驱动系统的组成和工作原理 电动汽车电机驱动系统关键部件,直流电机的工作原理,定子产生固定方向的磁场，为维持持续旋转，换向很有必要。,直流电机的结构,(a)有刷直流电动机 (b)无刷直流电动机,直流电机的结构,定子的主要作用是产生气隙磁场，它由主磁极、换向极、机座和电刷装置等组成。,直流电机的结构,定子,电刷,直流电机的结构,转子由电枢铁心、电枢绕组、换向器、转轴和风扇组成。,电枢铁心,换向器,直流电机的结构,直流电机的工作原理,图(a)为他励方式，励磁绕组与电枢绕组无联接关系，用外加电流进行励磁。其它为自励方式，与电枢绕组共用电源励磁。,他励,并励,串励,复励,直流电机的工作原理,直流电机的基本方程,电枢中感应电动势,电枢电压平衡方程,电磁转矩方程,直流电机稳态转

6、矩-转速特性,串励,他励,电动汽车直流电机驱动系统,直流电机的工作原理,直流电机的调速控制,降压斩波控制,直流电机的调速控制,降压斩波控制,固定频率控制TRC：T保持不变； 变频TRC：保持导通时间不变; 限流控制CLC: 负载电流控制在特定的范围内。,单象限型、二象限型和四象限型。单象限型直流斩波器适用于电动模式，能量从能量源流向负载。二象限型斩波器还可用于再生制动模式，能量从负载流向电源。二象限型斩波器非常适用于电动车汽车的驱动和再生制动。四象限型直流斩波器不需要借助于机械式接触器，通过电子控制即可实现正向的电动模式和反向的再生制动模式。,直流电机的调速控制,直流电机的调速控制,直流电机的调速控制,车用直流电机的调速控制的几个问题,直流电机的调速特性要求,低于额定转速，电枢电流和励磁电流被设定为其额定值，产生额定转矩； 在额定转速时，电枢电压达到其额定值； 恒功率区，弱磁控制，且反电动势和电枢电流必须保持不变。,弱磁的概念！,车用直流电机的调速控制的几个问题,弱磁的概念！,车用直流电机的调速控制的几个问题,再生制动特性-泵升电压,车用直流电机的调速控制的几个问题,倒车，直流电机驱动

7、系统反转,方法一： 改变电枢供电电压极性 用接触器切换供电电压极性； 方法二： 改变励磁绕组的供电电压极性 注意：通过改变励磁极性，可以改变电机的正反转，但工程中是不采用这种方法的，因电枢在加电压之前必须先建立稳定、可靠的磁场，磁场绕组的电感很大，也不宜频繁改变励磁极性。,车用直流电机的调速控制的几个问题,倒车，直流电机驱动系统反转,车用直流电机的调速控制的几个问题,电动汽车直流电机控制器,当电机处于电动时，关断VT1管，在VT2管上施加PWM脉冲信号。,当电机处于制动回馈时，关断VT2管，在VT1管上施加PWM脉冲信号。,电动汽车的油门和制动踏板给定的是转矩信号，电机控制器实现的是转矩闭环控制，通过调节占空比来控制电枢电压，从而控制电磁转矩。,直流电机驱动系统,直流电机驱动系统的特点,优点： 直流电机驱动系统具有成本最低、易于平滑调速、控制器简单、技术成熟。 缺点： 直流电机在运行过程中需要电刷和换向器换向，电刷需要定期维护，造成了使用的不便。 换向器和电刷制约了直流电机的转速，电机本身的体积大、重量大。,教学提纲,电动汽车电机驱动系统综述 直流电机驱动系统的组成和工作原理 交流感应

8、电机驱动系统的组成和工作原理 永磁电机驱动系统的组成和工作原理 开关磁阻电机驱动系统的组成和工作原理 电动汽车电机驱动系统关键部件,交流感应电机的结构,交流感应电机工作原理,当三相对称交流电输入感应电机的定子绕组时，在定子绕组中就有励磁电流通过，励磁电流在定子铁芯中产生变磁通和旋转磁场，此时，转子产生感应电动势并有感应电流通过来推动转子作旋转运动，当转子带有机械负荷时，转子电流增加，由于电磁感应作用，定子绕组中的励磁电流也增加。,交流感应电机的结构,交流感应电机的结构,交流感应电机工作原理,磁极对数：定子磁极的极对数p,交流感应电机的结构,旋转电动机从机械结构上看，都是由静止的定子和可以转动的转子组成的。定子、转子之间留有气隙。三相异步电动机的气隙一般为0.252mm。气隙的大小对异步电动机的性能有很大影响。,交流感应电机的结构,定子铁心主要是作为电动机主磁通磁路的一部分和放置定子三相绕组用的，为了降低铁心中的损耗，铁心一般采用厚度为0.25mm，表面涂有绝缘层并冲有一定糟形的硅钢片叠成,三相异步电动机定子绕组的作用是产生旋转磁场和吸收电功率。它是由三个完全相同，且在定子表面对称分布的

9、绕组(每个为一相)根据需要连接成星形或三角形构成的三相对称绕组,交流感应电机的结构,转子铁心的作用与定子铁心相同，所以也是用0.5mm的硅钢片叠制而成，再套在转轴上。,三相异步电动机转子绕组的作用是感生电动势和电流，并与定子磁场作用产生转矩输出机械功率。转子绕组有鼠笼式和绕线式两种,交流感应电机的工作特性,交流感应电机的机械特性,在电源电压和电源频率恒定且定、转子回路不接入任何附加设备时的机械特性称为自然机械特性,在保证其他参数不变，输入电压改变时的变压机械特性和输入电压频率改变时的变频机械特性,交流感应电机的机械特性,交流感应电机的机械特性,(1) 电动运转状态。在三相异步感应屯动机处于电动运转状态时，供电系统向三相异步感应电动机供给电能，产生正向旋转的驱动转矩。三相电源中任何两相接线交换。都产生反相旋转的驱动转矩。通过简单的换相接线，即可实现电动汽车电动逆向行驶(倒车)。 (2) 制动运转状态。三相异步感应电动机有三种制动运转状态：反馈制动、反接制动和能耗制动。一般情况下。电动汽车利用反馈制动回收的能量可以达到车辆所消耗能量的10%15%，这对与电动汽车的节能有重要意义,交流感应电机的机械特性,交流感应电机的调速控制,交流感应电机的调速控制,交流感应电机的调速控制,交流感应电机的调速控制,交流电机控制逆变器,逆变器是将直流变为定频定压或调频调压交流电的变换器，传统方法是利用晶闸管组成的方波逆变电路实现，但由于其含有较大成分低次谐波等缺点，而且近十余年来，由于电力电子技术的迅速发展，全控型快速半导体器件BJT，IGBT，GTO 等的发展和PWM 的控制技术的日趋完善，使SPWM 逆变器得以迅速发展并广泛使用。,交流电机控制逆变器,SPWM 控制技术做成的SPWM 逆变器具有以下主要特点： 1）逆变器同时实现调频调压，系统的动态响应不受中间直流环节滤波器参数的影响。 2）可获得比常规六拍阶梯波更接近正弦波的输出电压波形，低次谐波减少，在电气传动中，可使传动系统转矩脉冲的大大减少，扩大调速范围，提高系统性能。 3）组成变频器时，主电路只有一组可控的功率环节，简化了结构，由于采用不可控整流器，使电网功率因数接近于1，且与输出电压大小无关。,SPWM

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