電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù).ppt

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第六章電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù),PPT模板下載：,6.1電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)概述,新能源汽車與傳統(tǒng)汽車相比，有那些不同？,新能源汽車一般情況下，是將驅(qū)動(dòng)電機(jī)取代發(fā)動(dòng)機(jī)，使用電機(jī)控制器將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能來驅(qū)動(dòng)汽車行駛。,控制器（ECU）,,傳統(tǒng)汽車,新能源汽車,6.1電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)概述,6.1電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)概述,新能源汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要由哪些部分組成？,機(jī)械系統(tǒng)：機(jī)械傳動(dòng)、車輪等,電氣系統(tǒng)：電機(jī)、功率轉(zhuǎn)換器、電子控制器,,6.1電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)概述,電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)原理分類：,電動(dòng)汽車：主要以動(dòng)力電池為能源源、全部或部分由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的汽車。,電動(dòng)汽車,,純電動(dòng)汽車（EV）,混合動(dòng)力電動(dòng)汽車（HEV）,燃料電池電動(dòng)汽車（FCEV）,,插電式（PHEV）,非插電式,6.1電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)概述,基本結(jié)構(gòu),蓄電池,逆變器,驅(qū)動(dòng)電機(jī),驅(qū)動(dòng)軸,,,6.1電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)概述,蓄電池,逆變器,驅(qū)動(dòng)電機(jī),驅(qū)動(dòng)軸,,,蓄電池,發(fā)動(dòng)機(jī),串聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車,特點(diǎn)：單一的動(dòng)力裝置，兩個(gè)以上能量源,6.1電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)概述,串聯(lián)式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)示意圖,6.1電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)概述,串聯(lián)式典型車型介紹,CoasterSHEV的外形,6.1電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)概述,串聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車,蓄電池,逆變器,驅(qū)動(dòng)電機(jī),驅(qū)動(dòng)軸,,,發(fā)動(dòng)機(jī),耦合器,并聯(lián)式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)示意圖,6.1電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)概述,6.1電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)概述,并聯(lián)式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組合驅(qū)動(dòng)方式,6.1電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)概述,插電式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車概念：可以利用電力網(wǎng)（包括家用電源插座）進(jìn)行補(bǔ)充充電的混合動(dòng)力電動(dòng)汽車。特點(diǎn)：（1）低噪音、低排放（2）介于常規(guī)混合動(dòng)力和純電動(dòng)之間（3）利用晚間“谷電”，降低使用成本（4）動(dòng)力電池需要具有深充和深放的能力,6.1電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)概述,燃料電池電動(dòng)汽車組成：燃料電池發(fā)電機(jī)、燃料儲(chǔ)存裝置、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、動(dòng)力電池等。,6.1電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)概述,燃料電池電動(dòng)汽車的基本結(jié)構(gòu),6.1電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)概述,6.1電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)概述,6.1電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)概述,帕薩特領(lǐng)馭燃料電動(dòng)車動(dòng)力源,6.1電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)概述,控制信號(hào)流,,動(dòng)力電源流向,機(jī)械方式連接,6.1電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)概述,電動(dòng)汽車對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的性能要求1、體積小、重量輕2、在整個(gè)運(yùn)行范圍內(nèi)的高效率3、低轉(zhuǎn)速大轉(zhuǎn)矩特性及寬范圍內(nèi)的恒定功率特性4、高可靠性5、低價(jià)格6、高電壓7、高轉(zhuǎn)速,鋁制外殼,DCDC,6.2電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī),電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)及其控制系統(tǒng)是電動(dòng)汽車的心臟，是把電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能來驅(qū)動(dòng)車輛的部件。它的任務(wù)是在駕駛?cè)说目刂葡拢咝实貙?dòng)力電池的能量轉(zhuǎn)化為車輪的動(dòng)能，或者將車輪上的動(dòng)能反饋到動(dòng)力電池中。電能和機(jī)械能的相互轉(zhuǎn)化在電機(jī)轉(zhuǎn)子和定子間的氣隙形成。,目前電動(dòng)汽車常用的電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)有4種：1）直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，電機(jī)控制一般采用脈寬調(diào)制（PWM)控制方式。要點(diǎn)：電源---直流，控制方式---PWM脈寬調(diào)制勵(lì)磁方式：1.永久磁鐵2.勵(lì)磁繞組,6.2電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī),6.2電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī),6.2電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī),6.2電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī),什么是直流電機(jī)？,6.2電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī),定義：將直流電能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)化的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，它可用作電動(dòng)機(jī)或發(fā)電機(jī),直流電機(jī)的用途1.作電源用——直流發(fā)電機(jī)2.作動(dòng)力用——直流電動(dòng)機(jī)3.信號(hào)的傳遞作為測(cè)量元件——直流測(cè)速發(fā)電機(jī)作為執(zhí)行元件——直流伺服電動(dòng)機(jī),直流電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn),優(yōu)點(diǎn)：直流發(fā)電機(jī)的電勢(shì)波形較好，電磁干擾較小。直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速范圍寬廣，調(diào)速特性平滑。直流電動(dòng)機(jī)過載能力較強(qiáng)，起動(dòng)和制動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大。缺點(diǎn)：由于存在換向器，其制造、維護(hù)復(fù)雜，價(jià)格較高。,6.2電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī),6.2電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī),他勵(lì)：勵(lì)磁繞組與電樞繞組無關(guān),,I=Ia,Ia－－電樞電流,If－－勵(lì)磁電流,If,Ia,Rf,RL,I,U,Ea,6.2電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī),并勵(lì)：勵(lì)磁繞組與電樞繞組并聯(lián),串勵(lì)：勵(lì)磁繞組與電樞繞組串聯(lián),基本轉(zhuǎn)速ne以下為恒轉(zhuǎn)矩區(qū)，基本轉(zhuǎn)速ne以上為恒功率區(qū)。在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)，勵(lì)磁電流保持不變，通過改變電樞電壓來控制轉(zhuǎn)矩。在高速恒功率區(qū)，電樞電壓不變，通過改變勵(lì)磁電流或弱磁來控制轉(zhuǎn)矩。它的這種特性很適合汽車對(duì)動(dòng)力源低速高轉(zhuǎn)矩、高速低轉(zhuǎn)矩的要求，而且直流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，易于平滑調(diào)速，控制技技術(shù)成熟。,6.2電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī),6.2電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī),一、電流電樞繞組基本知識(shí),作用：電樞繞組——功率繞組。當(dāng)電樞繞組在磁場中旋轉(zhuǎn)時(shí)將感應(yīng)電勢(shì)，當(dāng)電樞繞組中流通電流時(shí)，電流和氣隙磁場相互作用將產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。通過電樞繞組直流電機(jī)進(jìn)行電功率和機(jī)械功率的轉(zhuǎn)換。特點(diǎn)：直流繞組是閉合繞組。每個(gè)元件的兩端點(diǎn)分別連接在兩換向片上，每個(gè)換向片連接兩個(gè)元件，各元件依一定規(guī)律依次連接，形成閉合回路。,6.2電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī),6.2電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī),2）交流感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，電機(jī)控制一般采用矢量控制或直接轉(zhuǎn)矩控制的變頻調(diào)速控制方式。3）交流永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，包括永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)和水磁光明方波電機(jī)控制系統(tǒng)，其中永磁同步電機(jī)控制一般采用矢量控制方法，永磁無刷方波電機(jī)控制方法與直流電機(jī)控制相似。4)開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，電機(jī)控制一般采用模糊滑?？刂品椒?。,6.2電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī),6.2電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī),電動(dòng)汽車的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與傳統(tǒng)工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)差別較大，特點(diǎn)如下：1）以電機(jī)轉(zhuǎn)矩或轉(zhuǎn)速為控制目標(biāo)，加速踏板、制動(dòng)踏板和轉(zhuǎn)向盤的給定位置是電機(jī)轉(zhuǎn)矩或轉(zhuǎn)速的目標(biāo)值，要求轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快，波動(dòng)小，穩(wěn)定性好。2）要求電機(jī)具有較寬的調(diào)速范圍，最高轉(zhuǎn)速是基速的2倍以上，電機(jī)要能四象限工作。3）為保證汽車動(dòng)力性好，要求電機(jī)低速大轉(zhuǎn)矩輸出，并能具有較大的過載距力，較長的過載時(shí)間，過載系數(shù)達(dá)2倍以上，過載時(shí)間達(dá)3min以上，為保證最高車速，要求電機(jī)基速以上處于一定恒功率輸出4），電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)要求有高的功率密度和寬轉(zhuǎn)速范圍高效工作區(qū)，系統(tǒng)效生大于80%的轉(zhuǎn)速區(qū)大于75%。5）電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可靠性好，電磁兼容性好，易于維護(hù)。,矢量控制,由于異步電機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型是一個(gè)高階、非線性、強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)。上世紀(jì)60年代末由達(dá)姆斯塔特工業(yè)大學(xué)（TUDarmstadt）的K.Hasse提出矢量控制。在70年代初由西門子工程師F.Blaschke在布倫瑞克工業(yè)大學(xué)(TUBraunschweig)發(fā)表的博士論文中提出三相電機(jī)磁場定向控制方法，通過異步電機(jī)矢量控制理論來解決交流電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制問題。矢量控制實(shí)現(xiàn)的基本原理是通過測(cè)量和控制異步電動(dòng)機(jī)定子電流矢量，根據(jù)磁場定向原理分別對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行控制，從而達(dá)到控制異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的。,永磁同步電機(jī)定子鐵芯與轉(zhuǎn)子鐵芯,6.3永磁同步電機(jī),永磁同步電機(jī)定子鐵芯與轉(zhuǎn)子鐵芯立體圖,6.3永磁同步電機(jī),嵌好繞組的永磁電機(jī)定子鐵芯,6.3永磁同步電機(jī),永磁同步電機(jī)的剖視圖,6.3永磁無刷直流電機(jī)（BLDC）,內(nèi)定子鐵芯與外永磁轉(zhuǎn)子,6.3永磁無刷直流電機(jī)（BLDC）,有線圈的內(nèi)定子與霍爾元件,6.3永磁無刷直流電機(jī)（BLDC）,電機(jī)組合在一起的的內(nèi)定子與外轉(zhuǎn)子,6.3永磁無刷直流電機(jī)（BLDC）,八線制：控制器直流電源2根（REF+，REF-），霍爾傳感器3根（HALL-A/B/C），電機(jī)三對(duì)繞組3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：模擬直流電機(jī)的控制方法進(jìn)行控制，根據(jù)線性變換以及變換前后磁勢(shì)和功率不變的原則，通過正交變換將a-b-c三相坐標(biāo)下的數(shù)學(xué)模型變成α-β二相靜止坐標(biāo)系（Clarke)的模型，然后通過旋轉(zhuǎn)變換將二相靜止坐標(biāo)系的模型變成兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系（Park）的模型（d-q)。在α-β/d-q變換下將定子電流矢量分解成按轉(zhuǎn)子磁場定向的兩個(gè)直流分量id/iq（其中，id為勵(lì)磁電流分量、iq為轉(zhuǎn)矩電流分量）。并對(duì)其分別加以控制，控制id相當(dāng)于控制磁通，控制iq相當(dāng)于控制轉(zhuǎn)矩。,6.3永磁無刷直流電機(jī)（BLDC）,磁場定向控制系統(tǒng)（FieldOrientedControl），簡稱FOC矢量控制。經(jīng)過上述變換之后得到：,--為勵(lì)磁電流,--為勵(lì)磁電流,6.3矢量控制（FOC）,1、d、q軸是什么?d軸是電機(jī)中的直軸，q軸是交軸。是一個(gè)虛擬坐標(biāo)軸（現(xiàn)實(shí)中不存在），為了便于分析。勵(lì)磁磁場和轉(zhuǎn)子磁場會(huì)存在一定的角度（功角），可以把兩個(gè)磁場相互的作用力分解垂直于磁場方向和呈90度交叉方向兩部分（就像把一個(gè)作用力分解成為X和Y軸上的分力一樣），轉(zhuǎn)子磁極的中心線作為直軸d，將垂直于d軸兩相鄰磁極間定義為q軸。,6.3直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速依據(jù),直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n和其他參量的關(guān)系可表示為式中Ua——電樞供電電壓（V）；Ia——電樞電流（A）；Ф——?jiǎng)?lì)磁磁通（Wb）；Ra——電樞回路總電阻（Ω）；Ce——電勢(shì)系數(shù),6.3矢量控制,◆直流電機(jī)改變直流電機(jī)轉(zhuǎn)速方法有：1、電樞變阻2、電樞調(diào)壓3、改變磁通----恒功率調(diào)速,,恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速,直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩,6.3永磁無刷直流電機(jī)（BLDC）,磁場定向控制系統(tǒng)（FieldOrientedControl），簡稱FOC矢量控制。經(jīng)過上述變換之后得到：,--為勵(lì)磁電流,--為勵(lì)磁電流,6.3模糊控制,?適用對(duì)象：模糊控制系統(tǒng)通常適用于難以建立解釋數(shù)學(xué)模型的復(fù)雜系統(tǒng)的控制。?建立基礎(chǔ)：模糊控制是以模糊集合論，模糊語言變量及模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種計(jì)算機(jī)數(shù)字控制。?包含模型：模糊控制系統(tǒng)主要包括Mamdani模糊規(guī)則控制和Takagi-Sugeno模糊模型（簡稱T-S模型）控制兩形式。,6.3模糊控制,模糊控制的基本原理,模糊控制系統(tǒng)的基本原理可由圖表示，它的核心部分為模糊控制器，如圖中的虛線框中部分所示。,6.3模糊控制,模糊控制系統(tǒng)的基本算法可以概括為四個(gè)步驟：,根據(jù)本次采樣得到的系統(tǒng)的輸出值，計(jì)算所選擇之系統(tǒng)的輸入變量；將輸入變量的精確值變?yōu)槟：?；根?jù)輸入變量（模糊量）機(jī)模糊控制規(guī)則，按模糊推理合成規(guī)則計(jì)算控制量（模糊量）；由上述得到的控制量（模糊量）計(jì)算精確量。,6.3模糊控制,模糊化,在模糊控制系統(tǒng)的運(yùn)行中，控制器的輸入、輸出值是有確定值的清晰量，而在進(jìn)行模糊控制時(shí)，需要的是模糊量，因而需要轉(zhuǎn)換。把物理量的清晰值轉(zhuǎn)換成模糊語言變量值的過程叫做清晰量的模糊化。,以語言變量“偏差”x為例，設(shè)x的實(shí)際取值范圍是連續(xù)值，且x∈[-6,6]。將該語言變量模糊化的過程如下：1.將連續(xù)論域X=[-6,6]離散化：N=[-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6];2.設(shè)定語言變量的語言值：NB,NM,NS,O,PS,PM,PB;3.定義好每個(gè)語言變量值，即給他們?cè)O(shè)定隸屬度函數(shù),6.3模糊控制,隸屬度賦值表,6.3模糊控制,4.將實(shí)際值與模糊值對(duì)應(yīng)：如實(shí)際值x=-6,它是離散化后論域中的點(diǎn)，而且,故將-6模糊化NB；又如對(duì)實(shí)際值x=-0.8，將其四舍五入取整是-1，由于,所以將實(shí)際值x=-0.8離散化為NS,一般情況下，如果x的實(shí)際取值范圍是連續(xù)值，且x∈[a,b]，要將其轉(zhuǎn)換成[-n,n]區(qū)間的離散值y，則轉(zhuǎn)換公式為y=2n[x-(a+b)/2]/(b-a),6.3模糊控制,對(duì)于離散化不不對(duì)稱的情況，如[-n,m]，轉(zhuǎn)換公式為y=(m+n)[x-(a+b)/2]/(b-a),?模糊控制規(guī)則模糊控制規(guī)則是由一系列if-then形式的模糊條件語句所構(gòu)成，條件句中的前件為系統(tǒng)的輸入或狀態(tài)，后件是控制量。?推理機(jī)制模糊推理是指采用某推理方法，由采樣時(shí)刻的輸入和模糊控制規(guī)則導(dǎo)出模糊控制器控制量的輸出。常用的推理方法有：,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.簡單模糊推理算法。,6.3模糊控制,前面我們提到，對(duì)多輸入多輸出（MIMO）模糊控制器，其規(guī)則庫均可以看成是多個(gè)獨(dú)立的多輸入單輸出系統(tǒng)。因而，在此只考慮MISO系統(tǒng)。不失一般性，考慮兩個(gè)輸入――一個(gè)輸出的模糊控制器。設(shè)已建立的模糊控制規(guī)則為,6.3模糊控制,R1：如果x是A1andy是B1，則z是C1R2：如果x是A2andy是B2，則z是C2…………Rn：如果x是Anandy是Bn，則z是Cn設(shè)已知模糊控制器的輸入模糊量為：x是A’andy是B’，則根據(jù)模糊控制規(guī)則進(jìn)行模糊推理，可以得出輸出變量z的值為C’計(jì)算如下：,6.3模糊控制,其中包括了三種主要的模糊邏輯運(yùn)算：and運(yùn)算，合成運(yùn)算“?！焙吞N(yùn)涵運(yùn)算“→”?！癮nd”運(yùn)算提出采用求交（取?。┗蚯蠓e（代數(shù)積）的方法；合成運(yùn)算“”提出采用最大－最小方法；蘊(yùn)涵運(yùn)算“→”采用求交（Rc）或求積（Rp）的方法。,?清晰化（反模糊化）最大隸屬度法：在模糊控制器的推理過程中，取其隸屬度最大的元素作為精確值，去執(zhí)行控制的方法稱為最大隸屬度法。若輸出量模糊集合C’的隸屬函數(shù)只有一個(gè)峰值，則取隸屬度為最大者為清晰值；若輸出有多個(gè)元素的隸屬度達(dá)到峰值，即設(shè)有,6.3模糊控制,則取這些元素的平均中心值作為清晰值，即,或者取,2.中位法：將隸屬度函數(shù)與以表示論域的橫坐標(biāo)所圍成面積分成相等的兩部分，取分界點(diǎn)為清晰值。即設(shè)有z0滿足,則取z0為清晰值。,6.3模糊控制,3.重心法：重心法也稱力矩法，它是對(duì)模糊推理的結(jié)果C的所有元素求取重心元素的方法，它有如下公式,6.3模糊控制,模糊控制器的設(shè)計(jì)過程,模糊控制器的設(shè)計(jì)包括如下幾個(gè)方面：1.確定模糊控制器的輸入變量和輸出變量（即控制量）；2.設(shè)計(jì)模糊控制器的控制規(guī)則；3.建立模糊化和非模糊化（清晰化）的方法；4.選擇模糊控制器的輸入變量和輸出變量的論域并確定模糊控制器的參數(shù)（如量化因子，比例因子等）；5.編制模糊控制算法的應(yīng)用程序；,6.3模糊控制,