新能源汽車與智能網聯技術 課件 第2章 電驅動技術

新能源汽車與智能網聯技術第2章

電驅動技術“十四五”時期國家重點出版物出版專項規劃項目新能源與智能網聯汽車新技術系列叢書中國機械工業教育協會“十四五”普通高等教育規劃教材課程負責人：靳文瑞譚理剛黃晉wrjin@本章內容2.1電機電機基礎直流電機交流電機輪轂電機驅動電機的計算問題2.2電控電控系統驅動效能和能量回收的計算問題本章內容2.1電機電機基礎直流電機交流電機輪轂電機驅動電機的計算問題2.2電控電控系統驅動效能和能量回收的計算問題2.1電機電機驅動系統是電動汽車的心臟，由電機、功率轉換器、控制器、各種檢測傳感器和電源（蓄電池）組成。電機驅動系統的任務是在駕駛人的控制下，高效率地將電池的電量轉化為車輪的動能，或者將車輪的動能反饋到蓄電池中。電機基礎圖1電機驅動系統2.1電機電動汽車在行駛過程中,經常頻繁地起動/停車、加速/減速等,所以電動汽車中的驅動電機對負載、性能指標、工作環境有更特殊的要求，應單獨歸為一類電機。運行特性應滿足電動汽車的以下要求：電動汽車對電機的要求在恒轉矩區低速運行時應具有大轉矩,以滿足電動汽車起動和爬坡的要求,此時需要4~5倍的短時過載,而工業電機一般需要2倍過載。在恒功率區低轉矩運行時應具有高速度、大變速范圍,以滿足電動汽車在平坦的路面能夠高速行駛的要求,此時最高轉速達到基本速度的4~5倍。可根據車型、駕駛人特點等做量身定制,結合人因工程等學科綜合考慮。應可控性高、可靠性好、使用壽命長、穩態精度高、動態性能好(瞬時功率大、帶負載啟動性能好、過載能力強、加速性能好)。2.1電機在整個運行范圍內,應功率密度大、效率高,減輕車重、延長續駛里程。應能夠在電動汽車減速時實現再生制動,將能量回收并反饋給蓄電池,使得電動汽車具有最佳能量的利用率。應體積小、重量輕,一般為工業電機的1/3~1/2;安裝空間小,可工作在高溫、振動頻繁等惡劣工況下,而工業電機一般安裝在某個固定位置。2.1電機電驅動系統的種類根據電動汽車驅動輪的布置方式,驅動輪有全輪驅動、后輪驅動和全輪驅動等方式。根據電動汽車驅動系統的組成特點,其基本布置方式分為機械驅動系統、半機械驅動系統和純電氣驅動系統等。根據電動汽車驅動系統中是否采用輪轂電機,驅動系統分為輪轂電機驅動系統和非輪轂電機驅動系統;根據電動汽車驅動系統中電機數量,驅動系統分為單電機和多電機驅動系統。圖2單電機和多電機驅動系統2.1電機驅動電機的類型圖3驅動電機的類型從當前應用和發展趨勢來看,永磁同步電機占有新能源車電機約80%的份額,永磁無刷直流電機的應用越來越少。2.1電機電機的額定指標額定功率:指額定運行情況下軸端輸出的機械功率(W或kW)。額定電壓:指外加于線端的電源線電壓(V)。額定電流:指電機額定運行(額定電壓、額定輸出功率)情況下電樞繞組(或定子繞組)的線電流(A)。額定頻率:指電機額定運行情況下電樞(或定子側)的頻率(Hz)。額定轉速:指電機額定運行(額定電壓、額定頻率、額定輸出功率)的情況下,電機轉子的轉速(r/min)。2.1電機直流電機直流電機模型如圖所示,它的固定部分(定子)上裝設了一對直流勵磁的靜止的主磁極N和S,在旋轉部分(轉子)上裝設電樞鐵心。定子與轉子之間有一氣隙。固定部分有磁鐵(主磁極)、電刷。轉動部分有電樞鐵心和繞在鐵心上的繞組。在電樞鐵心上放置了由兩根導體連成的電樞線圈，線圈的首端和末端分別連到兩個圓弧形的銅片,此銅片稱為換向片。換向片之間互相絕緣,由換向片構成的整體稱為換向器。換向器固定在轉軸上,換向片與轉軸之間也互相絕緣。在換向片上放置著一對固定不動的電刷,當電樞旋轉時,電樞線圈通過換向片和電刷與外電路接通。圖4直流電機模型2.1電機如果直流電機的兩個電刷加上直流電源,,則有直流電流從電刷A流入,經過線圈a→b→c→d,從電刷B流出,根據電磁力定律,載流導體ab和cd受到電磁力的作用,其方向可由左手定則判定,兩段導體受到的力形成了一個轉矩,使得轉子逆時針轉動。工作原理圖5直流電機工作原理2.1電機轉子轉到如下圖所示的位置,電刷A和換向片1接觸,電刷B和換向片2接觸,直流電流從電刷A流入,在線圈中的流動方向是d→c→b→a,從電刷B流出。其受到電磁力的作用方向由左手定則判定,它們產生的轉矩仍然使得轉子逆時針轉動。這就是直流電機的工作原理。

外加的電源是直流的,但由于電刷和換向片的作用,在線圈中流過的電流是交流的,其產生的轉矩的方向是不變的。圖5直流電機工作原理2.1電機交流電機交流電機是將交流電的電能轉變為機械能的一種裝置。交流電機主要由一個用以產生磁場的定子繞組和一個轉子組成。定子一般由鐵心、繞組與機座3部分組成,轉子由鐵心與繞組組成。轉子繞組有籠型和繞線轉子。籠型轉子是在轉子鐵心槽里插入銅條,再將全部銅條兩端焊在兩個銅端環上;繞線轉子繞組與定子繞組一樣,由線圈組成繞組放入轉子鐵心槽里。籠型與繞線轉子兩種電機雖然結構不一樣,但工作原理是一樣的。根據定子繞組不同,交流電機分為單向交流電機和三相交流電機。圖6交流電機2.1電機單相交流電機只有一個定子繞組,轉子是籠型的。當單相正弦電流通過定子繞組時,定子繞組就會產生一個交變磁場,這個磁場的強弱和方向隨時間做正弦規律變化,但在空間方位上是固定的,所以又稱這個磁場是交變脈動磁場。要使單相交流電機能自動旋轉起來,需在定子中加上一個起動繞組或起動電容,起動繞組與主繞組在空間上相差90°,起動繞組串接一個合適的電容,使得與主繞組的電流在相位上近似相差90°,即分相原理。這個交變脈動磁場可分解為兩個轉速相同、旋轉方向相反的旋轉磁場,當轉子靜止時,這兩個旋轉磁場在轉子中產生兩個大小相等、方向相反的轉矩,使得合成轉矩為零,所以電機無法旋轉。這樣兩個在時間上相差90°的電流通入兩個在空間上相差90°的繞組將會在空間上產生(兩相)旋轉磁場,在這個旋轉磁場作用下轉子就能自動轉起來。2.1電機三相電機定子上有3個在空間互隔120°電角度、對稱排列、結構完全相同的繞組連接而成,通入三相對稱交流電流時,在電機氣隙空間產生旋轉磁場。轉子導體處于旋轉磁場中產生電磁轉矩,驅動轉子旋轉。三相電機不需要起動繞組或起動電容。三相交流電機又分異步電機和同步電機。異步電機和同步電機的定子繞組是相同的,主要區別在于轉子的結構。異步電機：三相交流異步電機轉子是個封閉的短路環。動力蓄電池的高壓直流電經逆變器轉換成高壓交流電,送入三相定子繞組,產生旋轉磁場,這個旋轉磁場切割轉子短路環,轉子里面會產生感生電動勢并產生感應電流,轉子成為載流導體,處于定子產生的旋轉磁場中,根據左手定則,轉子會受到電磁力而旋轉起來。由于定子的磁通比有短路環部分的磁通領先,轉子比定子旋轉磁場慢,有轉差、不同步。所以此類電機稱為異步電機。2.1電機同步電機：繞組勵磁交流同步電機轉子是人為加入直流電形成不變磁場的,而不是靠感生電流,這樣轉子就跟著定子的旋轉磁場旋轉而同步,所以此類電機稱為同步電機。該交流同步電機的轉子上有直流勵磁繞組,作為電機時需要外加直流勵磁電源,通過集電環引入電流。繞組勵磁同步電機的定子繞組是電樞繞組,轉子是勵磁繞組。永磁同步電機：若轉子采用稀土永磁體,而不是像繞組勵磁同步電機那樣采用勵磁繞組,定子送入三相交流電,則制成永磁同步電機(permanentmagnetsynchronousmotor,PMSM)。永磁同步電機的定子繞組是電樞繞組,無勵磁繞組。目前新能源汽車80%以上的驅動電機就是這種電機。2.1電機輪轂電機輪轂電機驅動系統作為一種新興的電機驅動形式,其布置靈活,可以根據汽車驅動方式分別布置在電動汽車的兩前輪、兩后輪或四個車輪的輪轂中。輪轂電機結構示意如下圖所示。其通常由電動機、減速機構、制動器與散熱系統等組成。輪轂電機驅動系統根據電機的轉子形式主要分成兩種結構形式:內轉子型和外轉子型。圖7輪轂電機結構示意圖2.1電機輪轂電機驅動式電動汽車在動力源配置、底盤結構等方面有其獨特的技術特征和優勢。具體體現在以下方面：動力控制由硬連接改為軟連接形式。通過電子線控技術,實現各電動輪從零到最大速度的無級變速和各電動輪間的差速要求,從而省略了傳統汽車所需的機械式操縱換檔裝置、離合器、變速器、傳動軸和機械差速器等,使驅動系統和整車結構簡潔,有效可利用空間大,傳動效率提高。各電動輪的驅動力直接獨立可控,使其動力學控制更為靈活、方便;能合理控制各電動輪的驅動力,從而提高惡劣路面條件下的行駛性能。容易實現各電動輪的電氣制動、機電復合制動和制動能量回饋,還能對整車能源的高效利用,實施最優化控制和管理,節約能源。底架結構大為簡化,使整車總布置和車身造型設計的自由度增加,若能將底架承載功能與車身功能分離,則可實現相同底盤不同車身造型的產品多樣化和系列化,從而縮短新車型的開發周期,降低開發成本。若在采用輪轂電機驅動系統的四輪電動汽車上導入線控四輪轉向技術,實現車輛轉向行駛高性能化,可有效減小轉向半徑,甚至實現零轉向半徑,大大增加了轉向靈便性。2.1電機驅動電機的計算問題關于電機的計算問題條件設定電機最高轉速和額定轉速的計算問題電機最大轉矩和額定轉矩的計算問題電機額定功率和峰值功率的計算問題驅動電機選配的計算問題電機轉速由車速和傳動比決定,有3種情形:最高車速,決定電機最高轉速;常規行駛速度,決定電機額定轉速或額定功率;30min持續最高車速,決定電機30min持續最高轉速(不是電機額定轉速)。2.1電機30min持續最高轉速(不是電機額定轉速)。考慮純電動車沒有變速器,變速器速度比ig=1,僅保留減速器速度比i0,所以總傳動比為i0。故車速v(單位為km/h)與電機轉速n(單位為r/min)的關系為：（2-1）當電機處于最高轉速和最高車速時，上式可做進一步改寫：（2-2）電機最高轉速和額定轉速的計算問題2.1電機同步電機額定轉速也稱為基速,用nb表示,其計算公式為（2-3）β=nmax/nb是指擴大恒功率區系數,通常以車輛常規行駛速度vb確定電機的額定轉速。驅動電機額定轉速nb和最高轉速nmax的選配應該符合右圖所示的轉矩-轉速特性要求,即在起步階段低轉速時得到恒定的最大轉矩Tmax,在高轉速時得到恒定的較高功率Pb。圖8驅動電機外特性2.1電機電機最大轉矩和額定轉矩的計算問題在平坦道路上,起步加速時轉矩大于高速時的轉矩,因此最大轉矩一般考慮兩種情形:一種是以20km/h速度爬20%最大坡度時所需轉矩,另一種是平坦道路上0~50km/h起步急加速達到50km/h時所需最大轉矩T50max。經過實際校核,T50max是作為電機最大轉矩(峰值轉矩),而不是低速勻速爬坡時的轉矩。討論0~50km/h起步急加速時的轉矩T50max計算問題。平坦道路起步加速,此時Fi=0,只有滾動阻力Ff、空氣阻力Fw、加速阻力Fa。這里,按照勻加速度處理,設加速后最終速度va=50km/h,對應的加速時間為ta。（2-4）整個加速過程中在加速末了轉矩最大,即為T50max。（2-5）2.1電機電機額定功率和峰值功率的計算問題額定功率是長時間穩定運行的功率,驅動電機額定功率由30min持續最高車速決定。當車速v單位為km/h時,功率Pv(單位為kW)和驅動力Fk(單位為N)的關系式為：（2-6）在車輛行駛時,功率平衡方程為：（2-7）當車輛在較小坡度i(<10%)行駛時,功率平衡方程為：（2-8）2.1電機電機額定功率Pb由30min持續最高車速決定,此時無上坡阻力和加速阻力,只有滾動阻力和空氣阻力,有：（2-9）從一些車型的最高車速和30min持續最高車速公告數據來看,前者比后者大5~15km/h,式(2-9)表明Pb也與車輛總質量m的選取方式有關,按照前面的設定條件,這里使用滿載質量計算。電機的額定轉矩Tb(單位為N·m)由額定功率Pb(單位為kW)和額定轉速nb(單位為r/min)確定,即：（2-10）2.1電機峰值功率Pmax是瞬時的最大功率,維持時間很短,驅動電機峰值功率隨整車動力性能指標的設定,對應的工況可能有所不同,應按照5種情形計算:①最高車速時的功率Pmaxv;②0~50km/h起步加速工況P50max;③50~80km/h超越加速工況P80umax;④0~100km/h加速工況P100max;⑤20km/h勻速爬20%陡坡時的功率Pimax。驅動電機的峰值功率Pmax必須滿足上述5種情況,則：對于0~100km/h起步加速電機功率P100max的計算問題,應考慮電機特性曲線。0~100km/h起步加速分為兩段:第1段時間為t0~60,車輛速度從0加速到60km/h,轉矩恒定,功率線性增加。第2段時間為t60~100,車輛速度從60km/h加速到100km/h,功率恒定,轉矩呈雙曲線下降。2.1電機要計算P100max,需得到t0~60,而t0~100=t0~60-t60~100,設ta1=t0~100,tm=t60~100,有（2-11）2.1電機驅動電機主要參數選擇和計算依據見下表表1驅動電機主要參數選擇和計算依據按照上述方法計算后,還需要根據供應商提供產品和型號進行選配,實際參數更多的則是接近計算值。隨后,可以根據上面計算過程,反過來校核各種工況。本章內容2.1電機電機基礎直流電機交流電機輪轂電機驅動電機的計算問題2.2電控電控系統驅動效能和能量回收的計算問題2.2電控電控系統電控系統控制的對象為電機,目前電動汽車上常用的電機有交流異步電機和永磁同步電機兩種。交流異步電機(感應電機)控制系統該控制系統由電機控制器和逆變器構成。從電機轉速公式n=60f(1-S)/p來看,電機控制器采用脈沖寬度調制(PulseWidthModulation,PWM)方式實現高壓直流到三相交流的電源變換,其逆變器實際上是變頻器,采用矢量控制或直接轉矩控制策略實現電機轉矩控制的快速響應。永磁同步電機控制系統該控制系統采用正弦波永磁同步電機驅動系統,即定子電流為正弦波對稱電流,控制技術與感應電機類似。控制策略主要集中在提高低速轉矩特性和高速恒功率特性上。低速運行時常采用矢量控制,高速運行時常采用弱磁控制。正弦波永磁同步電機驅動系統具有更好的應用前景。2.2電控制動效能和能量回收的計算問題設地面制動力為Fxb,輪邊摩擦制動力為Fμ,輪邊的電機制動力為Fre,有：（2-12）Fμ、Fre與摩擦制動力矩Tμ(汽車非抱死情況下)、再生制動力矩Tre關系為：（2-13）電動汽車和串聯式混合動力汽車取K1=93%,并聯式和混聯式混合動力汽車取K1=88%。摩擦制動最大制動力Fμmax是可以計算的,而電機當前轉速下的最大制動力為Fremax,從而（2-14）α為摩擦制動力的加權系數;β為電機制動力的加權系數。0≤α,β≤1。根據制動踏板開度,調節α和β的值。2.2電控電機再生制動力矩Tre為:（2-15）電動汽車制動過程的動力學分析當汽車在良好路面制動時,以地面制動力Fxb代替加速阻力Fa,有：車輪負載功率P為：（2-16）（2-17）制動時輸入機械傳動系統的瞬時功率P1為電機制動力功率Pre和摩擦制動力功率Pμ之和,即：（2-18）2.2電控則制動過程衰減的慣性能量ΔE為：（2-19）根據能量守恒,有：（2-20）再生制動時輸入發電機瞬時功率P2為:（2-21）對于電動汽車和串聯式混合動力汽車取K1=93%,對于并聯式和混聯式混合動力汽車取K1=88%。輸入動力蓄電池的瞬時功率P3為：（2-22）在常規車速60km/h以下,將電機轉速n分為幾段,引入電機轉速影響因子ω(n),有：2.2電控（2-23）當車速或電機轉速變化時,有:（2-24）當n≤nb時,Fre為定值。回收能量功率P4為：（2-25）一次制動回收的總能量E4為：（2-26）充電電流I為:（2-27）2.2電控城市常規行駛工況制動效能和能量回收分析在城區以常規車速60km/h以下行駛時,空氣阻力Fw和上坡阻力Fi可以忽略,從而其所做功Ew和Ei可忽略,有：（2-28）一次制動回收的總能量E4為:（2-29）分幾種情況討論制動效能純再生制動模式若在輕制動情況下,電機制動力滿足車輛制動需求,制動力矩完全由再生制動力矩提供,地面制動力為:2.2電控（2-30）設制動時加速度為a,有：（2-31）不考慮滾動阻力對制動時加速度a的影響,則汽車能達到的加速度為:（2-32）城區常規行駛純再生制動模式下汽車制動時加速度與時間的關系曲線如上圖所示。圖中t1為再生制動力增長所需時間,t2為最大再生制動力持續作用時間。式(2-32)對應t2段。可以進行制動能量回收的時間為t1、t2之和,其中第2階段可以回收的制動能量較多。圖9城區常規行駛純再生制動模式下汽車加速度和時間的關系曲線2.2電控在t1時間段內,制動時加速度a線性增加,即a=kt可以求得k=aremax/t1。當汽車初速度為v0時瞬時車速v為：（2-33）t=t1時的速度為t1段末速度、t2段初速度,此時速度v=v0-1.8aremaxt1(km/h)。在t2時間段,將時間重新歸0,即將t2段起始點作為原點,制動時的加速度為aremax,瞬時車速為:（2-34）t=t2時的速度為t2段末速度,等于零,有：（2-35）2.2電控電動汽車在純再生制動模式下的制動距離S為：將式(2-35)代入上式，得：（2-36）t1就是制動反應時間。真空助力系與氣壓制動系起作用時間一般為0.3~0.9s,液壓制動系起作用時間在0.1s左右,電制動反應時間很短,電機時間常數一般為1ms。我們討論的是電制動,取t1=0.001s,則式(2-36)最后一項可以忽略不計,因而:（2-37）2.2電控忽略空氣阻力和上坡阻力,純再生制動時Eμ=0,故一次制動回收的總能量E4為：（2-38）緊急制動模式此時再生制動系統和機械制動系統共同作用,汽車的制動加速度為：（2-39）由于地面制動力Fxb不能超過附著力Fφ,即:（2-40）在此模式下制動加速度與時間關系曲線如所示。其中,t1為再生制動力增長所需時間,可取t1=0.001s;t2為踩下制動踏板補償摩擦片與制動鼓/盤間隙所需時間,可取t2=0.1s;t3為機械制動力增長所需時間,可取t3=0.5s;t4為最大共同制動力持續作用時間。圖10城區行駛緊急制動模式下加速度和時間的關系曲線2.2電控參照式(2-37)推導方法,得此模式下的制動距離s為：（2-38）上式計算的制動距離s應小于規定的安全制動距離。適當增大汽車制動加速度aremax可以延長再生制動距離,從而可以盡可能多地回收制動能量。但是該制動模式下總制動時間很短,所以回收的能量非常有限。緊急制動時,滾動阻力相對于地面制動力Fxb而言可以忽略,則一次制動回收的能量E4為：（2-39）2.2電控一般制動模式一般制動模式即靠近目標時先進行較長時間的再生制動,回收制動能量之后再利用機械制動使汽車停車。此時汽車的制動加速度與時間關系曲線如右圖所示。圖11城區行駛一般制動模式下加速度和時間的關系曲線其中,t1為再生制動力增長所需時間,取t1=0.001s;t21表示電機再生制動單獨作用的時間且車速在48km/h以上;t22表示電機再生制動時間與踩下制動踏板補償摩擦片與制動鼓/盤間隙所需時間,且車速在48km/h以下,但在機械制動力起作用的點即30km/h以上;t3為機械制動力增長所需時間,取t3=0.5s;t4為最大共同制動力持續作用時間且車速在7.5km/h以上有能量回收;t5為共同制動力作用時間且車速在7.5km/h以下無制動能量回收。這一制動模式的目的不是出于安全制動而是為了回收較多的制動能量。此模式下制動距離比純再生制動略小一些。2.2電控電動汽車制動能量再生控制策略摩擦制動力Fμ=αFμmax,電機制動力Fre=βFremax,α、β代表了機械液壓制動和電氣制動的分配情況。它取決于電動汽車制動能量再生控制策略。電動汽車制動時需要解決的兩個主要問題:如何在再生制動和摩擦制動之間分配所需的總制動力,以回收盡可能多的車輛動能;如何在前、后輪軸上分配總制動力,以達到穩定的制動效果。再生制動只對驅動輪有效,因而對只有前輪驅動的制動能量回收系統和前、后全輪驅動的制動能量回收系統策略是不同的。目前主要有3種制動能量再生控制策略:理想制動力分配控制策略;最佳制動能量