电动汽车电机驱动技术(课堂PPT).ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,第六章 电动汽车电机驱动技术,1,PPT,模板下载：,PPT,素材下载：,PPT,图表下载：,PPT,教程：,Excel,教程：,PPT,课件下载：,PPT,论坛：,6.1,电动汽车电机驱动系统概述,新能源汽车与传统汽车相比，有那些不同？,新能源汽车一般情况下，是将驱动电机取代发动机，使用电机控,制器将电能转换为机械能来驱动汽车行驶。,发动机,底盘,车身,电器,电机,底盘,车身,电器,控制器,（,ECU,）,传统汽车,新能源汽车,2,6.1,电动汽车电机驱动系统概述,3,6.1,电动汽车电机驱动系统概述,新能源汽车电机驱动系统主要由哪些部分组成？,机械系统：机械传动、车轮等,电气系统：电机、功率转换器、电子控制器,4,6.1,电动汽车电机驱动系统概述,电动汽车驱动原理分类：,电动汽车,：主要以动力电池为能源源、全部或部分由电机驱动的汽车。,电动汽车,纯电动汽车（,EV,）,混合动力电动汽车（,HEV,）,燃料电池电动汽车（,FCEV,）,插电式（,PHEV,）,非插电式,5,6.1,电动汽车电机驱动系统概述,基本结构,蓄电池,逆变器,驱动电机,驱动轴,6,6.1,电动汽车电机驱动系统概述,蓄电池,逆变器,驱动电机,驱动轴,蓄电池,发动机,串联式混合动力电动汽车,特点：单一的动力装置，两个以上能量源,7,6.1,电动汽车电机驱动系统概述,串联式驱动系统示意图,8,6.1,电动汽车电机驱动系统概述,串联式典型车型介绍,Coaster SHEV,的外形,9,6.1,电动汽车电机驱动系统概述,串联式混合动力电动汽车,蓄电池,逆变器,驱动电机,驱动轴,发动机,耦合器,10,并联式驱动系统示意图,6.1,电动汽车电机驱动系统概述,11,6.1,电动汽车电机驱动系统概述,并联式驱动系统组合驱动方式,12,6.1,电动汽车电机驱动系统概述,插电式混合动力电动汽车,概念：,可以利用电力网（包括家用电源插座）进行补充充电,的混,合动力电动汽车。,特点：,（,1,）低噪音、低排放,（,2,）介于常规混合动力和纯电动之间,（,3,）利用晚间“谷电”，降低使用成本,（,4,）动力电池需要具有深充和深放的能力,13,6.1,电动汽车电机驱动系统概述,燃料电池电动汽车,组成：,燃料电池发电机、燃料储存装置、驱动电机、动力电池等。,14,6.1,电动汽车电机驱动系统概述,15,燃料电池电动汽车的基本结构,6.1,电动汽车电机驱动系统概述,16,6.1,电动汽车电机驱动系统概述,17,6.1,电动汽车电机驱动系统概述,帕萨特领驭燃料电动车动力源,18,6.1,电动汽车电机驱动系统概述,控制信号流,动力电源流向,机械方式连接,19,6.1,电动汽车电机驱动系统概述,电动汽车对驱动电机的性能要求,1,、体积小、重量轻,2,、在整个运行范围内的高效率,3,、低转速大转矩特性及宽范围内的恒定功率特性,4,、高可靠性,5,、低价格,6,、高电压,7,、高转速,铝制外壳,DCDC,20,6.2,电动汽车驱动电机,电动汽车,驱动电机及其控制系统,是电动汽车的,心脏,，是把,电能转化为机械能,来驱动车辆的部件。它的任务是在驾驶人的控制下，,高效率,地将动力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动力电池,中。电能和机械能的相互转化在电机转子和定子间的气隙形成。,21,目前电动汽车常用的电机及其驱动控制系统有,4,种：,1,）直流电机驱动系统，电机控制一般采用脉宽调制（,PWM),控制方式。,要点：,电源,-,直流，控制方式,-PWM,脉宽调制,励磁方式：,1.,永久磁铁,2.,励磁绕组,6.2,电动汽车驱动电机,22,6.2,电动汽车驱动电机,23,6.2,电动汽车驱动电机,24,6.2,电动汽车驱动电机,25,什么是直流电机？,6.2,电动汽车驱动电机,定义：将直流电能和机械能相互转化的旋转电机，它可用作电动机或发电机,直流电机的用途,1.,作电源用,直流发电机,2.,作动力用,直流电动机,3.,信号的传递,作为测量元件,直流测速发电机,作为执行元件,直流伺服电动机,26,直流电机的优缺点,优点：,直流发电机的电势波形较好，电磁干扰较小。,直流电动机的调速范围宽广，调速特性平滑。,直流电动机过载能力较强，起动和制动转矩较大。,缺点,：,由于存在换向器，其制造、维护复杂，价格较高。,6.2,电动汽车驱动电机,27,6.2,电动汽车驱动电机,他励：励磁绕组与电枢绕组,无关,他励式发电机,n,r,f,I=I,a,I,a,电枢电流,I,f,励磁电流,I,f,I,a,R,f,R,L,I,U,E,a,28,并励式电动机,6.2,电动汽车驱动电机,串励式电动机,并励：励磁绕组与电枢绕组,并联,串励：励磁绕组与电枢绕组,串联,29,基本转速,n,e,以下为恒转矩区，基本转速,n,e,以上为恒功率区。在恒转矩区，励磁电流保持不变，通过改变电枢电压来控制转矩。在高速恒功率区，电枢电压不变，通过改变励磁电流或弱磁来控制转矩。它的这种特性很适合汽车对动力源低速高转矩、高速低转矩的要求，而且直流电机结构简单，易于平滑调速，控制技技术成熟。,6.2,电动汽车驱动电机,30,6.2,电动汽车驱动电机,一、电流电枢绕组基本知识,作用：,电枢绕组,功率绕组,。当电枢绕组在磁场中旋转时将感应电势，当电枢绕组中流通电流时，电流和气隙磁场相互作用将产生电磁转矩。,通过电枢绕组直流电机进行电功率和机械功率的转换,。,特点：,直流绕组是闭合绕组,。每个元件的两端点分别连接在两换向片上，每个换向片连接两个元件，各元件依一定规律依次连接，形成闭合回路。,31,6.2,电动汽车驱动电机,32,6.2,电动汽车驱动电机,b),i,d,O,E,u,d,w,t,I,d,O,w,t,a,q,d,33,2,）交流感应电机驱动系统，电机控制一般采用矢量控制或直接转矩控制的变频调速控制方式。,3,）交流永磁电机驱动系统，包括永磁同步电机控制系统和水磁光明方波电机控制系统，其中永磁同步电机控制一般采用矢量控制方法，永磁无刷方波电机控制方法与直流电机控制相似。,4),开关磁阻电机驱动系统，电机控制一般采用模糊滑模控制方法。,6.2,电动汽车驱动电机,34,6.2,电动汽车驱动电机,电动汽车的电机驱动系统与传统工业电机驱动系统差别较大，特点如下：,1,）以电机转矩或转速为控制目标，加速踏板、制动踏板和转向盘的给定位置是电机转矩或转速的目标值，要求转矩响应快，波动小，稳定性好。,2,）要求电机具有较宽的调速范围，最高转速是基速的,2,倍以上，电机要能四象限工作。,3,）为保证汽车动力性好，要求电机低速大转矩输出，并能具有较大的过载距力，较长的过载时间，过载系数达,2,倍以上，过载时间达,3min,以上，为保证最高车速，要求电机基速以上处于一定恒功率输出,4,），电机驱动系统要求有高的功率密度和宽转速范围高效工作区，系统效生大于,80%,的转速区大于,75%,。,5,）电机驱动系统可靠性好，电磁兼容性好，易于维护。,35,矢量控制,由于异步电机的动态数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统。上世纪,60,年代末由达姆斯塔特工业大学（,TU Darmstadt,）的,K.Hasse,提出矢量控制。在,70,年代初由西门子工程师,F.Blaschke,在布伦瑞克工业大学,(TU Braunschweig),发表的博士论文中提出三相电机磁场定向控制方法，通过异步电机,矢量控制,理论来解决交流电机转矩控制问题。,矢量控制实现的基本原理,是通过测量和控制异步电动机,定子电流矢量,，根据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制异步电动机转矩的目的。,36,永磁同步电机定子铁芯与转子铁芯,6.3,永磁同步电机,37,永磁同步电机定子铁芯与转子铁芯立体图,6.3,永磁同步电机,38,嵌好绕组的永磁电机定子铁芯,6.3,永磁同步电机,39,永磁同步电机的剖视图,40,6.3,永磁无刷直流电机（,BLDC,）,内定子铁芯与外永磁转子,41,6.3,永磁无刷直流电机（,BLDC,）,有线圈的内定子与霍尔元件,42,6.3,永磁无刷直流电机（,BLDC,）,电机组合在一起的的内定子与外转子,43,6.3,永磁无刷直流电机（,BLDC,）,八线制：控制器直流电源,2,根（,REF+,，,REF-,），霍尔传感器,3,根,（,HALL-A/B/C,），电机三对绕组,3,根（,A/B/C,）,44,6.3,矢量控制（,FOC,）,矢量控控制基本原理,FOC,控制的基本思路基：,模拟直流电机的控制方法进行控制,，根据线性变换以及变换前后磁势和功率不变的原则，通过正交变换将,a-b-c,三相,坐标下的数学模型变成,-,二相,静止坐标系（,Clarke,),的模型，然后通过旋转变换将二相静止坐标系的模型变成两相旋转坐标系（,Park,）的,模型（,d-q,),。在,-,/d-q,变换下将定子电流矢量分解成按转子磁场定向的两个,直流分量,i,d,/,i,q,（其中，,i,d,为励磁电流分量、,i,q,为转矩电流分量,）。并对其分别加以控制，,控制,i,d,相当于控制磁通，控制,i,q,相当于控制转矩,。,45,6.3,永磁无刷直流电机（,BLDC,）,磁场定向控制系统（,Field Oriented Control,），简称,FOC,矢量控制。,经过上述变换之后得到：,-,为励磁电流,-,为励磁电流,46,6.3,矢量控制（,FOC,）,1,、,d,、,q,轴是什么,?,d,轴是电机中的直轴，,q,轴是交轴。是一个虚拟坐标轴（现实中,不存在），为了便于分析。励磁磁场和转子磁场会存在一定的角,度（功角），可以把两个磁场相互的作用力分解垂直于磁场方向和,呈,90,度交叉方向两部分（就像把一个作用力分解成为,X,和,Y,轴上的分,力一样），转子磁极的中心线作为直轴,d,，将垂直于,d,轴两相邻磁极,间定义为,q,轴。,47,6.3,直流电动机调速依据,直流电动机的转速,n和其他参量的关系可表示为,式中,Ua电枢供电电压（V）；,Ia 电枢电流（A）；,励磁磁通（Wb）；,Ra电枢回路总电阻（）；,C,e,电势系数,48,6.3,矢量控制,直流电机改变直流电机转速方法有：,1,、电枢变阻,2,、电枢调压,3,、改变磁通,-,恒功率调速,恒转矩调速,直流电机转矩,49,50,6.3,永磁无刷直流电机（,BLDC,）,磁场定向控制系统（,Field Oriented Control,），简称,FOC,矢量控制。,经过上述变换之后得到：,-,为励磁电流,-,为励磁电流,51,6.3,模糊控制,适用对象：,模糊控制系统通常适用于难以建立解释数学模型的复杂系统的控制。,建立基础：,模糊控制是以模糊集合论，模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制。,包含模型：,模糊控制系统主要包括,Mamdani,模糊规则控制和,Takagi-Sugeno,模糊模型（简称,T-S,模型）控制两形式。,52,6.3,模糊控制,模糊控制的基本原理,模糊控制系统的基本原理可由图表示，它的核心部分为模糊控制器，如图中的虚线框中部分所示。,53,6.3,模糊控制,模糊控制系统的基本算法可以概括为四个步骤：,根据本次采样得到的系统的输出值，计算所选择之系统的输入变量；,将输入变量的精确值变为模糊量；,根据输入变量（模糊量）机模糊控制规则，按模糊推理合成规则计算控制量（模糊量）；,由上述得到的控制量（模糊量）计算精确量。,54,6.3,模糊控制,模糊化,在模糊控制系统的运行中，控制器的输入、输出值是有确定值的清晰量，而在进行模糊控制时，需要的是模糊量，因而需要转换。,把物理量的清晰值转换成模糊语言变量值的过程叫做清晰量的模糊化。,以语言变量“偏差”,x,为例，设,x,的实际取值范围是连续值，且,x,-6,6,。将该语言变量模糊化的过程如下：,1.,将连续论域,X=-6,6,离散化：,N=-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6;,2.,设定语言变量的语言值：,NB,NM,NS,O,PS,PM,PB;,3.,定义好每个语言变量值，即给他们设定隶属度函数,55,6.3,模糊控制,隶属度赋值表,56,6.3,模糊控制,4.,将实际值与模糊值对应：如实际值,x=-6,它是离散化后论域中的点，而且,故将,-6,模糊化,NB,；又如对实际值,x=-0.8,，将其四舍五入取整是,-1,，由于,所以将实际值,x=-0.8,离散化为,NS,一般情况下，如果,x,的实际取值范围是连续值，且,xa,b,，要将其转换成,-n,n,区间的离散值,y,，则转换公式为,y=2nx-(a+b)/2/(b-a),57,6.3,模糊控制,对于离散化不不对称的情况，如,-n,m,，转换公式为,y=(m+n)x-(a+b)/2/(b-a),模糊控制规则,模糊控制规则是由一系列,if-then,形式的模糊条件语句所构成，条件句中的前件为系统的输入或状态，后件是控制量。,推理机制,模糊推理是指采用某推理方法，由采样时刻的输入和模糊控制规则导出模糊控制器控制量的输出。常用的推理方法有：,58,6.3,模糊控制,1.Mamdani,模糊推理算法；,2.Larsen,模糊推理算法；,3.Takagi-Sugeno,模糊推理算法；,4.Tsukamoto,模糊推理算法；,5.,简单模糊推理算法。,59,6.3,模糊控制,前面我们提到，对多输入多输出（,MIMO,）模糊控制器，其规则库均可以看成是多个独立的多输入单输出系统。因而，在此只考虑,MISO,系统。不失一般性，考虑两个输入,一个输出的模糊控制器。设已建立的模糊控制规则为,60,6.3,模糊控制,R1,：如果,x,是,A1 and y,是,B1,，则,z,是,C1,R2,：如果,x,是,A2 and y,是,B2,，则,z,是,C2,Rn,：如果,x,是,An and y,是,Bn,，则,z,是,Cn,设已知模糊控制器的输入模糊量为：,x,是,Aand y,是,B,，则根据模糊控制规则进行模糊推理，可以得出输出变量,z,的值为,C,计算如下：,61,6.3,模糊控制,其中包括了三种主要的模糊逻辑运算：,and,运算，合成运算“。”和蕴涵运算“”。,“and”,运算提出采用求交（取小）或求积（代数积）的方法；合成运算“”提出采用最大最小方法；蕴涵运算“”采用求交（,Rc,）或求积（,Rp,）的方法。,清晰化（反模糊化）,最大隶属度法：在模糊控制器的推理过程中，取其隶属度最大的元素作为精确值，去执行控制的方法称为最大隶属度法。若输出量模糊集合,C,的隶属函数只有一个峰值，则取隶属度为最大者为清晰值；若输出有多个元素的隶属度达到峰值，即设有,62,6.3,模糊控制,则取这些元素的平均中心值作为清晰值，即,或者取,2.,中位法：将隶属度函数与以表示论域的横坐标所围成面积分成相等的两部分，取分界点为清晰值。即设有,z0,满足,则取,z0,为清晰值。,63,6.3,模糊控制,3.,重心法：重心法也称力矩法，它是对模糊推理的结果,C,的所有元素求取重心元素的方法，它有如下公式,64,6.3,模糊控制,模糊控制器的设计过程,模糊控制器的设计包括如下几个方面：,1.,确定模糊控制器的输入变量和输出变量（即控制量）；,2.,设计模糊控制器的控制规则；,3.,建立模糊化和非模糊化（清晰化）的方法；,4.,选择模糊控制器的输入变量和输出变量的论域并确定,模糊控制器的参数（如量化因子，比例因子等）；,5.,编制模糊控制算法的应用程序；,65,6.3,模糊控制,66,