电动汽车电机驱动技术.ppt

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1、第六章 电动汽车电机驱动技术PPT模板下载： 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。制器将电能转换为机械能来驱动汽车行驶。发动机发动机底盘底盘车身车身电器电器电机电机底盘底盘车身车身电器电器控制器控制器（ECUECU）传统汽汽车新能源汽新能源汽车6.1 电动汽车电机驱动系统概述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？新能源汽车电机驱动系统主要由

2、哪些部分组成？机械系机械系统：机械：机械传动、车轮等等电气系气系统：电机、功率机、功率转换器、器、电子控制器子控制器6.1 电动汽车电机驱动系统概述电动汽车驱动原理分类：电动汽车驱动原理分类：电动汽车电动汽车：主要以动力电池为能源源、全部或部分由电机驱动的汽车。：主要以动力电池为能源源、全部或部分由电机驱动的汽车。电动汽汽车纯电动汽汽车（EVEV）混合混合动力力电动汽汽车（HEVHEV）燃料燃料电池池电动汽汽车（FCEVFCEV）插插电式（式（PHEVPHEV）非插非插电式式6.1 电动汽车电机驱动系统概述基本结构基本结构蓄电池蓄电池逆变器逆变器驱动电机驱动电机驱动轴驱动轴6.1 电动汽车电机

3、驱动系统概述蓄电池蓄电池逆变器逆变器驱动电机驱动电机驱动轴驱动轴蓄电池蓄电池发动机发动机串联式混合动力电动汽车串联式混合动力电动汽车特点：单一的动力装置，两个以上能量源特点：单一的动力装置，两个以上能量源6.1 电动汽车电机驱动系统概述串联式驱动系统示意图串联式驱动系统示意图6.1 电动汽车电机驱动系统概述串联式典型车型介绍串联式典型车型介绍Coaster SHEVCoaster SHEV的外形的外形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串联式混合动力电动汽车蓄电池蓄电池逆变器逆变器驱动电机驱动电机驱动轴驱动轴发动机发动机耦合器耦合器并联式驱动系统示意图并联式驱动系统示意图6.

4、1 电动汽车电机驱动系统概述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并联式驱动系统组合驱动方式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插电式混合动力电动汽车 概念：概念：可以利用电力网（包括家用电源插座）进行补充充电可以利用电力网（包括家用电源插座）进行补充充电的混的混合动力电动汽车。合动力电动汽车。特点：特点：（1 1）低噪音、低排放）低噪音、低排放 （2 2）介于常规混合动力和纯电动之间）介于常规混合动力和纯电动之间 （3 3）利用晚间）利用晚间“谷电谷电”，降低使用成本，降低使用成本 （4 4）动力电池需要具有深充和深放的能力）动力电池需要具有深充和深放的

5、能力6.1 电动汽车电机驱动系统概述燃料电池电动汽车燃料电池电动汽车组成：组成：燃料电池发电机、燃料储存装置、驱动电机、动力电池等。燃料电池发电机、燃料储存装置、驱动电机、动力电池等。6.1 电动汽车电机驱动系统概述燃料电池电动汽车的基本结构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6.1 电动汽车电机驱动系统概述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帕萨特领驭燃料电动车动力源6.1 电动汽车电机驱动系统概述控制信号流控制信号流动力力电源流向源流向机械方式机械方式连接接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电动汽车对驱动电机的性能要求1

6、 1、体积小、重量轻、体积小、重量轻2 2、在整个运行范围内的高效率、在整个运行范围内的高效率3 3、低转速大转矩特性及宽范围内的恒定功率特性、低转速大转矩特性及宽范围内的恒定功率特性4 4、高可靠性、高可靠性5 5、低价格、低价格6 6、高电压、高电压7 7、高转速、高转速铝制外壳铝制外壳DCDCDCDC6.2 电动汽车驱动电机 电动汽汽车驱动电机及其控制系机及其控制系统是是电动汽汽车的的心心脏，是把，是把电能能转化化为机械能机械能来来驱动车辆的部件。它的任的部件。它的任务是在是在驾驶人的控制下，人的控制下，高效率高效率地将地将动力力电池的能量池的能量转化化为车轮的的动能，或者将能，或者将车

7、轮上的上的动能反能反馈到到动力力电池池中。中。电能和机械能的相互能和机械能的相互转化在化在电机机转子和定子子和定子间的气隙形成。的气隙形成。目前目前电动汽汽车常用的常用的电机及其机及其驱动控制系控制系统有有4种：种：1）直流）直流电机机驱动系系统，电机控制一般采用脉机控制一般采用脉宽调制（制（PWM)控制方控制方式。式。要点：要点：电源源-直流，控制方式直流，控制方式-PWM脉脉宽调制制励磁方式：励磁方式：1.永久磁永久磁铁 2.励磁励磁绕组6.2 电动汽车驱动电机6.2 电动汽车驱动电机6.2 电动汽车驱动电机6.2 电动汽车驱动电机什么是直流什么是直流电机？机？6.2 电动汽车驱动电机l定

8、定义：将直流：将直流电能和机械能相互能和机械能相互转化的旋化的旋转电机，机，它可用作它可用作电动机或机或发电机机直流直流电机的用途机的用途1.1.作作电源用源用直流直流发电机机 2.2.作作动力用力用直流直流电动机机 3.3.信号的信号的传递作作为测量元件量元件直流直流测速速发电机机作作为执行元件行元件直流伺服直流伺服电动机机直流直流电机的机的优缺点缺点q优点：点：直流直流发电机的机的电势波形波形较好，好，电磁干磁干扰较小。小。直流直流电动机的机的调速范速范围宽广，广，调速特性平滑。速特性平滑。直流直流电动机机过载能力能力较强，起，起动和制和制动转矩矩较大。大。q缺点缺点：由于存在由于存在换向

9、器，其制造、向器，其制造、维护复复杂，价格，价格较高。高。6.2 电动汽车驱动电机6.2 电动汽车驱动电机他励：他励：励磁励磁绕组与与电枢枢绕组无关无关他励式他励式发电机机nrfI=IaI Ia a电枢电流电枢电流I If f励磁电流励磁电流I If fI Ia aR Rf fR RL LI IU UE Ea a并励式电动机并励式电动机6.2 电动汽车驱动电机串励式电动机串励式电动机并励：并励：励磁绕组与电枢绕组励磁绕组与电枢绕组并联并联 串励：串励：励磁励磁绕组与与电枢枢绕组串串联 基本基本转速速n ne e以下以下为恒恒转矩区，基本矩区，基本转速速n ne e以上以上为恒功率区。在恒恒功率

10、区。在恒转矩区，励磁矩区，励磁电流保持不流保持不变，通，通过改改变电枢枢电压来控制来控制转矩。在高速恒矩。在高速恒功率区，功率区，电枢枢电压不不变，通，通过改改变励磁励磁电流或弱磁来控制流或弱磁来控制转矩。它的矩。它的这种特性很适合汽种特性很适合汽车对动力源低速高力源低速高转矩、高速低矩、高速低转矩的要求，而且矩的要求，而且直流直流电机机结构构简单，易于平滑，易于平滑调速，控制技技速，控制技技术成熟。成熟。6.2 电动汽车驱动电机6.2 电动汽车驱动电机一、电流电枢绕组基本知识一、电流电枢绕组基本知识作用：作用：电枢枢绕组功率功率绕组。当。当电枢枢绕组在磁在磁场中旋中旋转时将感将感应电势，当，

11、当电枢枢绕组中流通中流通电流流时，电流和气隙磁流和气隙磁场相互作用将相互作用将产生生电磁磁转矩。矩。通通过电枢枢绕组直流直流电机机进行行电功率和机械功率的功率和机械功率的转换。特点：特点：直流直流绕组是是闭合合绕组。每个元件的两端点分。每个元件的两端点分别连接在两接在两换向片上，每个向片上，每个换向片向片连接两个元件，各元件依一定接两个元件，各元件依一定规律依次律依次连接，接，形成形成闭合回路。合回路。6.2 电动汽车驱动电机6.2 电动汽车驱动电机b)idOEudwtIdOwtaqd2）交流感）交流感应电机机驱动系系统，电机控制一般采用矢量控制或直接机控制一般采用矢量控制或直接转矩矩控制的控

12、制的变频调速控制方式。速控制方式。3）交流永磁）交流永磁电机机驱动系系统，包括永磁同步，包括永磁同步电机控制系机控制系统和水磁光和水磁光明方波明方波电机控制系机控制系统，其中永磁同步，其中永磁同步电机控制一般采用矢量控制方法，机控制一般采用矢量控制方法，永磁无刷方波永磁无刷方波电机控制方法与直流机控制方法与直流电机控制相似。机控制相似。4)开关磁阻开关磁阻电机机驱动系系统，电机控制一般采用模糊滑模控制方法。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6.2 电动汽车驱动电机电动汽汽车的的电机机驱动系系统与与传统工工业电机机驱动系系统差差别较大，特点如下：大，特点如下：1）以）以电机

13、机转矩或矩或转速速为控制目控制目标，加速踏板、制，加速踏板、制动踏板和踏板和转向向盘的的给定位置是定位置是电机机转矩或矩或转速的目速的目标值，要求，要求转矩响矩响应快，波快，波动小，小，稳定性好。定性好。2）要求）要求电机具有机具有较宽的的调速范速范围，最高，最高转速是基速的速是基速的2倍以上，倍以上，电机要能四象限机要能四象限工作。工作。3）为保保证汽汽车动力性好，要求力性好，要求电机低速大机低速大转矩矩输出，并能具有出，并能具有较大的大的过载距力，距力，较长的的过载时间，过载系数达系数达2倍以上，倍以上，过载时间达达3min以上，以上，为保保证最高最高车速，速，要求要求电机基速以上机基速以

14、上处于一定恒功率于一定恒功率输出出4），），电机机驱动系系统要求有高的功率密度和要求有高的功率密度和宽转速范速范围高效工作区，系高效工作区，系统效生大效生大于于80%的的转速区大于速区大于75%。5）电机机驱动系系统可靠性好，可靠性好，电磁兼容性好，易于磁兼容性好，易于维护。矢量控制 由于异步由于异步电机的机的动态数学模型是一个高数学模型是一个高阶、非、非线性、性、强耦合的多耦合的多变量系量系统。上世。上世纪60年代末由达姆斯塔特工年代末由达姆斯塔特工业大学（大学（TU Darmstadt）的）的K.Hasse提出矢量控制。在提出矢量控制。在70年代初由西年代初由西门子工程子工程师F.Blas

15、chke在布在布伦瑞克工瑞克工业大学大学(TU Braunschweig)发表的博士表的博士论文中提出三相文中提出三相电机机磁磁场定向控制方法，通定向控制方法，通过异步异步电机机矢量控制矢量控制理理论来解决交流来解决交流电机机转矩矩控制控制问题。矢量控制矢量控制实现的基本原理的基本原理是通是通过测量和控制异步量和控制异步电动机机定定子子电流矢量流矢量，根据磁，根据磁场定向原理分定向原理分别对异步异步电动机的励磁机的励磁电流和流和转矩矩电流流进行控制，从而达到控制异步行控制，从而达到控制异步电动机机转矩的目的。矩的目的。永磁同步永磁同步电机定子机定子铁芯与芯与转子子铁芯芯6.3 永磁同步电机永磁

16、同步永磁同步电机定子机定子铁芯与芯与转子子铁芯立体芯立体图6.3 永磁同步电机嵌好嵌好绕组的永磁的永磁电机定子机定子铁芯芯6.3 永磁同步电机永磁同步永磁同步电机的剖机的剖视图6.3 永磁无刷直流电机（BLDC）内定子内定子铁芯与外永磁芯与外永磁转子子6.3 永磁无刷直流电机（BLDC）有有线圈的内定子与霍圈的内定子与霍尔元件元件6.3 永磁无刷直流电机（BLDC）电机机组合在一起的的内定子与外合在一起的的内定子与外转子子6.3 永磁无刷直流电机（BLDC）八八线制：控制器直流制：控制器直流电源源2根（根（REF+，REF-），霍），霍尔传感器感器3根根 （HALL-A/B/C），），电机三机

17、三对绕组3根（根（A/B/C）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id/iq（其中，id为励磁电流分量、iq为转矩电流分量）。并对其分别加以控制，控制id相当于控制磁通，控制iq相当于控制转矩。6.3 永磁无刷直流电机（BLDC）磁磁场定向控制系定

18、向控制系统（Field Oriented Control），），简称称FOC矢量控制。矢量控制。经过上述上述变换之后得到：之后得到：-为励磁励磁电流流-为励磁励磁电流流6.3 矢量控制（FOC）1、d、q轴是什么是什么?d轴是是电机中的直机中的直轴，q轴是交是交轴。是一个虚。是一个虚拟坐坐标轴（现实中中不存在），不存在），为了便于分析。励磁磁了便于分析。励磁磁场和和转子磁子磁场会存在一定的角会存在一定的角度（功角），可以把两个磁度（功角），可以把两个磁场相互的作用力分解垂直于磁相互的作用力分解垂直于磁场方向和方向和呈呈90度交叉方向两部分（就像把一个作用力分解成度交叉方向两部分（就像把一个作用

19、力分解成为X和和Y轴上的分上的分力一力一样），），转子磁极的中心子磁极的中心线作作为直直轴d，将垂直于，将垂直于d轴两相两相邻磁极磁极间定定义为q轴。6.3 直流电动机调速依据直流直流电动机的机的转速速n和其他参量的关系可表示和其他参量的关系可表示为式中式中 Ua电枢供枢供电电压（V）；）；Ia 电枢枢电流（流（A）；）；励磁磁通（励磁磁通（Wb）；）；Ra电枢回路枢回路总电阻（阻（）；）；Ce电势系数系数6.3 矢量控制直流直流电机改机改变直流直流电机机转速方法有：速方法有：1、电枢枢变阻阻2、电枢枢调压3、改、改变磁通磁通-恒功率恒功率调速速恒恒转矩矩调速速直流直流电机机转矩矩6.3 永磁

20、无刷直流电机（BLDC）磁磁场定向控制系定向控制系统（Field Oriented Control），），简称称FOC矢量控制。矢量控制。经过上述上述变换之后得到：之后得到：-为励磁励磁电流流-为励磁励磁电流流6.3 模糊控制适用适用对象：象：模糊控制系模糊控制系统通常适用于通常适用于难以建立解以建立解释数学模型的复数学模型的复杂系系统的控制。的控制。建立基建立基础：模糊控制是以模糊集合模糊控制是以模糊集合论，模糊，模糊语言言变量及模糊量及模糊逻辑推理推理为基基础的的一种一种计算机数字控制。算机数字控制。包含模型：包含模型：模糊控制系模糊控制系统主要包括主要包括Mamdani模糊模糊规则控制和

21、控制和Takagi-Sugeno模糊模糊模型（模型（简称称T-S模型）控制两形式。模型）控制两形式。6.3 模糊控制模糊控制的基本原理模糊控制的基本原理 模糊控制系模糊控制系统的基本原理可由的基本原理可由图表示，它的核心部分表示，它的核心部分为模糊控制模糊控制器，如器，如图中的虚中的虚线框中部分所示。框中部分所示。6.3 模糊控制模糊控制系模糊控制系统的基本算法可以概括的基本算法可以概括为四个步四个步骤：1.根据本次采根据本次采样得到的系得到的系统的的输出出值，计算所算所选择之系之系统的的输入入变量；量；2.将将输入入变量的精确量的精确值变为模糊量；模糊量；3.根据根据输入入变量（模糊量）机模

22、糊控制量（模糊量）机模糊控制规则，按模糊推理合成，按模糊推理合成规则计算控制量（模糊量）；算控制量（模糊量）；4.由上述得到的控制量（模糊量）由上述得到的控制量（模糊量）计算精确量。算精确量。6.3 模糊控制模糊化模糊化 在模糊控制系在模糊控制系统的运行中，控制器的的运行中，控制器的输入、入、输出出值是有确定是有确定值的的清晰量，而在清晰量，而在进行模糊控制行模糊控制时，需要的是模糊量，因而需要，需要的是模糊量，因而需要转换。把物理量的清晰把物理量的清晰值转换成模糊成模糊语言言变量量值的的过程叫做清晰量的模糊化。程叫做清晰量的模糊化。以以语言言变量量“偏差偏差”x为例，例，设x的的实际取取值范

23、范围是是连续值，且，且x-6,6。将。将该语言言变量模糊化的量模糊化的过程如下：程如下：1.将将连续论域域X=-6,6离散化：离散化：N=-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6;2.设定定语言言变量的量的语言言值：NB,NM,NS,O,PS,PM,PB;3.定定义好每个好每个语言言变量量值，即，即给他他们设定隶属度函数定隶属度函数6.3 模糊控制隶属度隶属度赋值表表6.3 模糊控制4.将将实际值与模糊与模糊值对应：如：如实际值x=-6,它是离散化后它是离散化后论域中的点，域中的点，而且而且故将故将-6模糊化模糊化NB；又如；又如对实际值x=-0.8，将其四舍五入取整是，

24、将其四舍五入取整是-1，由于，由于所以将所以将实际值x=-0.8离散化离散化为NS一般情况下，如果一般情况下，如果x的的实际取取值范范围是是连续值，且，且x a,b，要将其，要将其转换成成-n,n区区间的离散的离散值y，则转换公式公式为 y=2nx-(a+b)/2/(b-a)6.3 模糊控制对于离散化不不于离散化不不对称的情况，如称的情况，如-n,m，转换公式公式为y=(m+n)x-(a+b)/2/(b-a)模糊控制模糊控制规则 模糊控制模糊控制规则是由一系列是由一系列if-then形式的模糊条件形式的模糊条件语句所构成，条件句所构成，条件句中的前件句中的前件为系系统的的输入或状入或状态，后件

25、是控制量。，后件是控制量。推理机制推理机制 模糊推理是指采用某推理方法，由采模糊推理是指采用某推理方法，由采样时刻的刻的输入和模糊控制入和模糊控制规则导出模糊控制器控制量的出模糊控制器控制量的输出。常用的推理方法有：出。常用的推理方法有：6.3 模糊控制1.Mamdani模糊推理算法；模糊推理算法；2.Larsen模糊推理算法；模糊推理算法；3.Takagi-Sugeno模糊推理算法；模糊推理算法；4.Tsukamoto模糊推理算法；模糊推理算法；5.简单模糊推理算法。模糊推理算法。6.3 模糊控制 前面我前面我们提到，提到，对多多输入多入多输出（出（MIMO）模糊控制器，其）模糊控制器，其规

26、则库均可以看成是多个独立的多均可以看成是多个独立的多输入入单输出系出系统。因而，在此只考。因而，在此只考虑MISO系系统。不失一般性，考。不失一般性，考虑两个两个输入入一个一个输出的模糊控制器。出的模糊控制器。设已已建立的模糊控制建立的模糊控制规则为6.3 模糊控制R1：如果如果x是是A1 and y是是B1，则z是是C1R2：如果如果x是是A2 and y是是B2，则z是是C2Rn：如果：如果x是是An and y是是Bn，则z是是Cn设已知模糊控制器的已知模糊控制器的输入模糊量入模糊量为：x是是Aand y是是B，则根据模糊控根据模糊控制制规则进行模糊推理，可以得出行模糊推理，可以得出输出

27、出变量量z的的值为C计算如下：算如下：6.3 模糊控制 其中包括了三种主要的模糊其中包括了三种主要的模糊逻辑运算：运算：and运算，合成运算运算，合成运算“。”和和蕴涵运算涵运算“”。“and”运算提出采用求交（取小）或求运算提出采用求交（取小）或求积（代数（代数积）的方）的方法；合成运算法；合成运算“”提出采用最大最小方法；提出采用最大最小方法；蕴涵运算涵运算“”采用求交采用求交（Rc）或求）或求积（Rp）的方法。）的方法。清晰化（反模糊化）清晰化（反模糊化）1.最大隶属度法：在模糊控制器的推理最大隶属度法：在模糊控制器的推理过程中，取其隶属度最大的程中，取其隶属度最大的元素作元素作为精确精

28、确值，去，去执行控制的方法称行控制的方法称为最大隶属度法。若最大隶属度法。若输出出量模糊集合量模糊集合C的隶属函数只有一个峰的隶属函数只有一个峰值，则取隶属度取隶属度为最大者最大者为清晰清晰值；若；若输出有多个元素的隶属度达到峰出有多个元素的隶属度达到峰值，即，即设有有6.3 模糊控制则取取这些元素的平均中心些元素的平均中心值作作为清晰清晰值，即，即或者取或者取2.中位法：将隶属度函数与以表示中位法：将隶属度函数与以表示论域的横坐域的横坐标所所围成面成面积分成相分成相等的两部分，取分界点等的两部分，取分界点为清晰清晰值。即。即设有有z0满足足则取取z0为清晰清晰值。6.3 模糊控制3.重心法：

29、重心法也称力矩法，它是重心法：重心法也称力矩法，它是对模糊推理的模糊推理的结果果C的所有元素的所有元素求取重心元素的方法，它有如下公式求取重心元素的方法，它有如下公式6.3 模糊控制模糊控制器的模糊控制器的设计过程程模糊控制器的模糊控制器的设计包括如下几个方面：包括如下几个方面：1.确定模糊控制器的确定模糊控制器的输入入变量和量和输出出变量（即控制量）；量（即控制量）；2.设计模糊控制器的控制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；建立模糊化和非模糊化（清晰化）的方法；4.选择模糊控制器的模糊控制器的输入入变量和量和输出出变量的量的论域并确定域并确定模糊控制器的参数（如量化因子，比例因子等）；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制模糊控制算法的应用程序；用程序；6.3 模糊控制