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1、电动汽车用异步电动机直接转矩控制研究,西安建筑科技大学机电工程学院,张肖培/赵洪翠2016.7.5,01 电动汽车发展现状,03 电动汽车电池的现状及发展趋势,3.1 铅酸蓄电池3.2 镍氢电池3.3 锂离子电池 3.4 电动汽车电池性能比较3.5 结论,4.1 直接转矩控制特点4.2 电压逆变器4.3 电压空间矢量4.4 电压空间矢量对转矩的影响4.5 电压空间矢量对磁链的影响 4.6 直接转矩控制的基本构成,目录,02 电动汽车的关键技术,04 直接转矩控制,随着科学技术的进步，代步工具的环保性能也逐渐被开发出来，尤其是在环境保护意识日益上升的时代，电动车的发展强劲更是强势。电动车顾名思义
2、就是通过电力带动电机运转，电动车类型主要有纯电动汽车、混合动力汽车以及燃料电池汽车三类。纯电动汽车的发展瓶颈在于电池的电量有限的问题，电池只能满足短距离出行。混合电动车可以弥补电池电动车的缺陷但是其价格也相当昂贵，并且相应的后续服务并没有到位燃料电动车尚处于研发阶段，它可以作为节能电动车最有潜力的机器，但是目前对于燃料电动车的研究尚不成熟，还未建立完善的系统管理。,1,电动汽车发展现状,3/12,电动汽车的核心是电机驱动系统，该系统主要由电机，控制系统，机械减速及传动装置，车轮等组成。传统的电动汽车以直流电机的转矩速度特性满足牵引要求，速度控制系统简单，易于操作目前市场上对该技术的创新主要在于
3、无换向器电机的技术研究，使其效率、功率密度、运行费用、可靠性和免维护等方面取得突破性进展。感应电机研究的时间长，使用历史久，技术成熟安全，使用广泛永磁无刷电机的磁场由永磁材料产生，在电动车的应用领域中具有更高的效率和加工密度，使用范围广阔开关磁阻电机的结构稳定、系统完善，在电动车的应用领域也相当广泛。,1 电动汽车发展现状,发展电动汽车必须解决好3个方面的关键技术：电池技术 驱动电机及其控制器 能量管理技术可以这样说，电动汽车技术涉及的范围广，是多学科、多领域的综合。,2,发展电动汽车的关键技术,5/12,电源是制约电动汽车发展的关键之处。对车载电源的基本要求是比能量高,使用寿命长,成本低。目
4、前正在使用和开发的动力电池主要有以下几种：镍镉电池 锂电池 燃料电池,电池技术,对电动汽车驱动电机及控制器的最基本要求是启动转矩大,具有较宽的恒功率范围，以适应电动汽车频繁启动和功率变化大的使用要求。此外，要求电机的结构尺寸小，重量轻，以便于安装，无驱动噪声。由于电子技术的飞速进步，滑差控制、矢量控制、直接转矩控制等交流电机的调控技术日趋成熟，交流电机驱动系统在电动汽车中已成为主流。近年来，开关磁阻电机驱动系统开始在电动汽车中应用。开关磁阻式电机具有效率高、动态响应好、高启动转矩和低启动功率等特点,但在降低噪声和转矩波动、电机模型和控制技术等方面还需进一步探索。,驱动电机及其控制器,一个能对电
5、池进行必要的管理和控制的能量管理系统是电动汽车的智能核心，它包括对电池组容量状态的监测、终止充放电控制、电池均衡充电控制、减速与制动能量回收控制等。应用电动汽车车载能量管理系统，可以更加准确地设计电动汽车的电能储存系统，确定一个最佳的能量存储及管理结构，并且可以提高电动汽车本身的性能。在电动汽车上实现能量管理的难点，在于如何根据所采集的每块电池的电压、温度和充放电电流的历史数据，来建立一个确定每块电池还剩余多少能量的较精确的数学模型。由于准确可靠的蓄电池模型的建立、电池荷电状态(SOC)参数的监测等还有待进一步的提高，因此电动汽车能量管理系统的研究还有许多工作要做。,电动汽车能量管理系统,本文
6、首先介绍电动汽车电池的发展历程，随后重点介绍了3种电动汽车动力电池的研发状况。,3,电动汽车电池的现状及发展趋势,铅酸蓄电池,镍氢电池,锂离子电池,9/12,铅酸蓄电池是目前在汽车领域应用得最为广泛的电池，主要作为内燃机汽车内部各种电器和电子设备的电源。铅酸蓄电池在过去50 a被广泛应用，具有成熟的技术，可以大批量生产，生产成本低，价格便宜。尽管新电池技术不断地产生，但铅酸蓄电池至今仍作为动力源应用于旅游观光车，电动叉车或者一些短距离行驶的公交车上。应用于电动汽车的新一代阀控式密封铅酸蓄电池(valve-regulated lead acid battery,VRLA)不须维护，允许深度放电，
7、可循环使用;然而VRLA依旧有着铅酸蓄电池比能量和比功率低的致命弱点，根本原因是金属铅的密度大。混合的电动汽车使用的VRLA，但不适于重度混合汽车或纯电动车。,铅酸蓄电池,铅酸蓄电池,镍氢电池,碱性电池由镍基和碱性溶液电解液构成，主要有镍镉电池、镍锌电池和镍氢电池3种，其中镍氢电池最有应用于电动汽车的竞争力。镍氢电池广泛应用受限的原因是其在低温时容量减小和高温时充电耐受性的限制;此外，价格也是制约镍氢电池发展的主要因素，原材料如金属镍非常昂贵。其研制的混合动力客车用动力镍氢电池组及管理系统己在“北京实施混合动力公共汽车示范项目”中应用。,锂离子电池,锂离子电池的传统结构包括石墨阳极、锂离子金属
8、氧化物构成的阴极和电解液(有机溶剂溶解的锂盐溶液)可以看出，相较镍氢电池，锂离子电池具有相对较高的工作电压和较大的比能量，是镍氢电池的3倍。锂离子电池体积小，质量轻，循环寿命长，自放电率低，无记忆效应且无污染;电池单个性能指标的数值范围跨度大，这是因为铿离子电池有较多的电极组合，它们在性能上存在一定的差异。,锂离子电池,不同阴极的锂电池性能不同。缺点：指出要将锂离子电池大量应用于电动汽车仍然存在问题，主要是因为多种性能的限制，包括锂离子电池的安全性、循环寿命、成本、工作温度和材料供应。锂离子电池目前以小容量、低功率电池为主，大容量高功率的锂离子电池尚未大规模生产，因此针对电池组的电池管理系统中
9、一些不成熟的技术(如均衡充电技术)是铿离子电池尚未在电动汽车中广泛应用的重要原因之一。,锂离子电池,锂离于电池技术的先进性和在新兴关键市场(电动汽车领域)的应用，己激发全球范围内的研发热潮，因此锂离子电池势必将在电动汽车和新能源领域占据重要位置。目前在电动汽车中，应用较多的锂离子电池是磷酸铁锂电池，它具有较好的热稳定性和安全性，同时价格相对便宜。这些因素使磷酸铁锂电池成为小型电动汽车和PHEV动力电池首选。然而在铿离子电池中，磷酸锂电池的比能量、比功率以及运行电压相对较低，在大型纯电动车应用方面钴酸锂和锰酸锂电池等更具优势。我国锂离子电池产量增长快速。,电动汽车电池性能比较,由图1可以看出，在
10、目前市场上的电池中，锂离子电池(锂离子电池和锂聚合物电池)除在价格和安全性方面处于劣势以外，其他方面均处于绝对领先地位，有进一步研发和大规模应用的前景。,结论,1)铅酸电池铅酸电池虽便宜，并在叉车、观光车或者短途公共汽车上作为动力源应用，但新一代铅酸电池的比能量和循环次数仍存在严重的限制。未来使用铅酸电池来驱动在高速公路上行驶的电动汽车是不实际的，但价格优势使其在轻度混合或者短途行驶的电动汽车(如观光车)中仍占一席之地。,结论,2）镍氢电池 镍氢电池虽然具有较高的比能量和比功率等优点;但由于需要大量使用镍和钻其成本较高，镍钻的稀缺性会导致其大批生产和使用时价格反而会上涨。目前，它仍然大量地应用
11、于混合动力车，随着锂离子电池的大规模生产和成本的降低，镍氢电池终将退出。例如，日本丰田汽车公司宣布最新一代Prius不再使用镍氢电池而使用铿离子电池。3)锂离子电池目前市场上的电池中，锂离子电池(锂离子电池和锂高聚合物电池)的性能最好，同质量的锂离子电池其能量是铅酸电池的4-6倍，是镍氢电池的2-3倍。价格和大功率锂离子电池的安全性是它的最主要缺点。对于锂离子电池技术最大的挑战是继续扩大电池容量，同时保证安全性和循环次数不受影响，并降低成本。此外，电动汽车电也的快速充放电能力对于它未来作为风电和太阳能等新能源发电的备用非常重要。具有应用前景的还有锂硫电池。铿硫电池为二次锂电池，具有比能量高、成
12、本低、环境友好的特点。目前己有锂硫电池产品面世，如美国Sion Power公司的产品，比能量可达350 Wh/kg。,4.1 直接转矩控制特点,直接转矩控制直接是在定子坐标系下分析交流电的数学模型、控制电机转矩和磁链，可以省掉矢量旋转变化的复杂变化与计算。直接转矩控制磁场定向所用的是定子磁场减少了矢量控制中易受参数变化影响的问题。直接转矩控制采用空间矢量的概念分析模型，是问题简单。直接转矩控制强调转矩的直接控制与效果直接转矩控制技术，用空间矢量分析法直接在定子坐标系下计算与控制建立电动机转矩。该控制转矩响应迅速，切无超调。,电压逆变器,电压逆变器是交流异步电机控制系统中必不可少的重要组成部分，
13、在交流异步电机直接转矩控制系统中更是非常的重要，只有电压型逆变器的输出才能驱动异步电机的运行，下面对电压逆变器进行简单介绍，逆变器的基本模型如左图所示。,电压逆变器,控制系统的逆变器如上图所示，逆变器的每一相的上桥臂和下桥臂的开关状态是相反的，将逆变器的三相桥臂综合考虑就可以得到8种开关状态组合。每一种开关组合都会对电机产生不同的作用，在本文中可以用Sa、Sb、Sc表示电压逆变器三相桥臂的开关状态，例如，我们用Sa=1来表示第一相上桥臂处于导通状态，此时第一相的下桥臂就处于关断状态，相反，当Sa=0时，则说明第一相上桥臂是关断的，此时第一相的下桥臂则是导通的，三相桥臂的开关状态可以用表所示。,
14、电压空间矢量,状态“1”至“6”可以对应六个电压空间矢量，状态“0”和“7”对应两个零电压矢量。将逆变器的输出电压用电压空间矢量表示：电压逆变器输出状态对应的电压空间矢量的幅值是一样的，都为，相临的电压空间矢量的夹角都为60度，如图所示。,电压空间矢量对电机电磁转矩的影响,研究过程当中，转矩的大小与定子磁链幅值、转子磁链幅值和刺痛叫乘积成正比，实际运行中保持定子磁链幅值为额定值，转自幅值由负载决定，那么影响电机电磁转矩变化的因素只有定子磁链相位角。在控制的过程中，一般都是利用电压空间矢量对电机定子磁链的作用，调节定子磁链和转子磁链之间的夹角，而调节定、转子磁链的夹角一般都是通过调节定子磁链的相
15、位角实现的，所以当知道了定、转子磁链的夹角信息，就能够得到电机转矩的实时信息。研究过程中假设定、转子磁链夹角磁通角，如果此时作用的电压空间矢量与当前定子磁链相比较具有超前性时，转矩会随之增大;当作用的电压空间矢量与当前定子磁链相比较，是处于对定子磁链具有牵制作用状态的时候，表现出了一定的滞后性，这个时候电机的转矩会随之减小；如果此时工作的是零电压空间矢量，电机的转矩会减小。,电压空间矢量对电机定子磁链的影响,定子磁链的表达式,不考虑电机定子电阻的存在,电压空间矢量对电机定子磁链的影响,定子磁链空间矢量顶点的运动方向和轨迹即定子磁链的运动方向与轨迹对应于电压空间矢量的作用方向，定子磁链的运动轨迹
16、平行于us（t）指示方向。在适当的时刻依次给出定子电压空间矢量则得到磁链的运动轨迹依次沿边运动形成正六边形磁链。直接利用逆变器的六中工作开关状态，简单的得到六边形磁链轨迹以控制电动机，这是DSR控制的基本方法。,直接转矩基本结构,在直接转矩控制系统中，需要充分了解电压逆变器的特点。可以根据电机的运行状态，对逆变器进行调节，输出相应的电压空间矢量从而保证定子磁链能按照正常轨迹运行，通过对电机定子磁链的观测和调节，达到控制电机转矩的目的，再对电机实时地运行状态进行分析，对电压空间矢量进行选择来改变电机的定子磁链，这样周而复始的工作。其结构如图所示。,.,1)电机定子磁链和电机转矩的观测:控制系统对电机的一些实时数据进行采集之后，将采集到结果进行分析处理以及计算得到定子磁链的信息和转矩;2)磁链调节器:在本次设计中选用的是磁链滞环调节器，这样可以让电机的定子磁链基本不发生变化，给出相应的控制信号;3)转矩调节器:电机的实际转矩和系统的给定转矩是存在差值的，转矩调节器利用二者的差值得到转矩控制信号，反馈给系统;4)电压空间矢量的选择:电压空间矢量的选择非常的重要，在控制系统中，根据系统得到的反馈信息，调节逆变器的开关状态，输出合理的电压空间矢量，保证电机的运行。,直接转矩控制系统可以分为以下几个模块:,
