電動汽車技術04電子教案

1、電動汽車技術,《電動汽車技術》電子教案04,,（學校標志）,,《電動汽車技術》電子教案,第4章 電動汽車電機及其驅(qū)動 本章主要內(nèi)容:4.1 電動汽車的車用電機概述4.2 直流動電機4.3 交流感應電動機4.4 永磁無刷直流電動機4.5 永磁同步電動機4.6 開關磁阻電動機,（學校標志）,,4.1 電動汽車的車用電機概述電機是將電能轉(zhuǎn)換為機械能或?qū)C械能轉(zhuǎn)換為電能的裝置，電機具有能相對運動的部件，是一種依靠電磁感應

2、而運行的裝置，其中發(fā)電機將機械能轉(zhuǎn)換為電能；電動機將機械能轉(zhuǎn)換為電能。在電動汽車中，為車輛行駛提供驅(qū)動力的電動機稱為驅(qū)動電動機，驅(qū)動車輛以外的電動機稱為輔助電動機。,（學校標志）,《電動汽車技術》電子教案,,4.1.1 驅(qū)動電機的分類,（學校標志）,《電動汽車技術》電子教案,,圖4-1 電機的分類,,（學校標志）,《電動汽車技術》電子教案,表4-1 驅(qū)動電機的基本性能比較,,,4.1.2 電動汽車對驅(qū)動電機的要求（1）要有較大的起

3、動轉(zhuǎn)矩（2）要有較寬的恒功率范圍（3）要有較大范圍的調(diào)速功能，在低速時具有較大的轉(zhuǎn)矩（4）具有良好的效率特性（5）再生制動時的能量回收率高（6）電動機的外形尺寸要求盡可能?。?）電動機的可靠性好，耐溫和耐潮性能強（8）價格低，便于批量生產(chǎn),（學校標志）,《電動汽車技術》電子教案,,4.1.3電機學的基本定律（1） 安培環(huán)路定律 （全電流定律）（2） 電磁感應定律（3） 電磁力定律（4） 電機的可逆性原理 注

4、： 請課外學習或復習。,（學校標志）,《電動汽車技術》電子教案,,4.1.4 電機的基本性能參數(shù)按GB/T 19596-2004《電動汽車術語》： 額定功率（rated power）——在額定條件下的輸出功率。峰值功率（peak power）——在規(guī)定的持續(xù)時間內(nèi)，電機允許的最大輸出功率。額定轉(zhuǎn)速（rated speed）——額定功率下電機的最低轉(zhuǎn)速。最高工作轉(zhuǎn)速（maximum work speed）——相應于電動汽車最高設

5、計車速的電機轉(zhuǎn)速。,（學校標志）,《電動汽車技術》電子教案,,額定轉(zhuǎn)矩（rated torque）——電機在額定功率和額定轉(zhuǎn)速下的輸出轉(zhuǎn)矩。峰值轉(zhuǎn)矩（peak torque）——電機在規(guī)定的持續(xù)時間內(nèi)允許輸出的最大轉(zhuǎn)矩。堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩（locked-rotor torque）——轉(zhuǎn)子在所有角位堵住時所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩最小測得值。電機及控制器整體效率（combination efficiency of electrical machine an

6、d controller）——電機轉(zhuǎn)軸輸出功率除以控制器輸入功率乘以100%。,（學校標志）,《電動汽車技術》電子教案,,4.2　直流動電機直流電機按其能量轉(zhuǎn)換方向的不同分為直流發(fā)電機和直流電動機，兩者之間具有可逆性。對于直流電動機，當給電樞繞組通入直流電流時，通過電刷和換向器轉(zhuǎn)換為交變電流，使處于主極磁場中繞組的線圈始終受到相同方向電磁轉(zhuǎn)矩的作用，保證了電動機連續(xù)轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)電能到機械能的轉(zhuǎn)換。對于直流發(fā)電機，當原動機拖動電樞

7、轉(zhuǎn)動時，電樞繞組的線圈切割主極磁場而產(chǎn)生交變感應電動勢，再通過電刷和換向器轉(zhuǎn)換為直流電動勢，由電樞繞組輸出直流電流,（學校標志）,《電動汽車技術》電子教案,,4.2.1 直流電動機的結(jié)構和工作原理,（學校標志）,《電動汽車技術》電子教案,,（學校標志）,《電動汽車技術》電子教案,圖4-3 直流電動機結(jié)構,,（學校標志）,《電動汽車技術》電子教案,圖4-4 直流電動機的工作原理,,4.2.2直流電動機的分類和特點1.分類直流電機按照

8、勵磁方式的不同可以分為永磁式和勵磁式。直流電機按照勵磁方式可分為自勵和他勵兩大類，根據(jù)勵磁繞組和轉(zhuǎn)子繞組的連接關系，自勵又可分為并勵、串勵和復勵3種，這樣勵磁式直流電機可細分為四種 .,（學校標志）,《電動汽車技術》電子教案,,（學校標志）,《電動汽車技術》電子教案,(a)他勵； (b)并勵；,(c)串勵； (d)復勵,,2.特點早期開發(fā)的電動汽車主要采用直流電

9、機驅(qū)動系統(tǒng)，有刷直流電動機的主要優(yōu)點是控制簡單、技術成熟；直流電動機可以頻繁快速啟動、制動和反轉(zhuǎn)，可以在重負載條件下，實現(xiàn)均勻、平滑的無級調(diào)速，而且調(diào)速范圍較寬。由于存在電刷和機械換向器，限制了電機過載能力與速度的進一步提高，運行時碳刷和換向器會產(chǎn)生火花，長期運行需要維護,（學校標志）,《電動汽車技術》電子教案,,4.2.3 直流電動機的運行特性運行特性主要有工作特性和機械特性。1.工作特性,（學校標志）,《電動汽車技術》電子教

10、案,圖4-6 并勵電動機工作特性,,（學校標志）,《電動汽車技術》電子教案,圖4-7 串勵電動機工作特性,,2.機械特性,（學校標志）,《電動汽車技術》電子教案,圖4-8直流電機的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速曲線,圖4-9 直流他勵電動機固有機械特性,,（學校標志）,《電動汽車技術》電子教案,圖4-10 電樞回路中串接附加電阻時他勵直流電動機的電路和人為機械特性,,,（學校標志）,《電動汽車技術》電子教案,圖4-11 改變電樞電壓時他勵直流電動機的電路和

11、人為機械特性,,,（學校標志）,《電動汽車技術》電子教案,圖4-12 改變磁通他勵直流電動機的電路和人為機械特性,,,（學校標志）,《電動汽車技術》電子教案,4.2.4 直流電動機的控制直流電機的控制通常采用的是斬波控制，通過改變直流電機電樞兩端的等效平均電壓控制電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。,,4.3　交流感應電動機4.3.1交流感應電動機的結(jié)構和工作原理,（學校標志）,《電動汽車技術》電子教案,,（學校標志）,《電動汽車技術》電子教案,圖4

12、-15 交流感應電動機的結(jié)構,,（學校標志）,《電動汽車技術》電子教案,圖4-16 交流感應電機橫截面 圖4-17 空間對稱分布的三相繞組,,4.3.2 交流感應電動機的分類和特點1．分類感應電動機可分為鼠籠式電動機和繞線式電動機2．特點感應電動機優(yōu)點包括:與直流電機相比，轉(zhuǎn)子與定子之間沒有相互接觸的部件，結(jié)構簡單，運行可靠，經(jīng)久耐用感應電動機缺點包括：功率因數(shù)低；交流三相感應電動機的控

13、制系統(tǒng)的造價遠遠高于交流三相感應電動機本身,（學校標志）,《電動汽車技術》電子教案,,4.3.3 交流感應電動機的特性1.工作特性,（學校標志）,《電動汽車技術》電子教案,圖4-18 異步電動機的工作特性1—轉(zhuǎn)速特性曲線；2—轉(zhuǎn)矩特性曲線；3—定子電流特性曲線；4—功率因數(shù)特性曲線；5—效率特性曲線；P2—電動機輸出功率,,2.機械特性,（學校標志）,《電動汽車技術》電子教案,圖4-19 感應電動機的T-s曲線,,恒壓恒頻感應電動

14、機的機械特性曲線,（學校標志）,《電動汽車技術》電子教案,,4.3.4 感應電動機的調(diào)速控制1. 感應電動機的調(diào)速方法,（學校標志）,《電動汽車技術》電子教案,,感應電動機的基本調(diào)速方法分為變頻調(diào)速、變極對數(shù)調(diào)速和調(diào)轉(zhuǎn)差率調(diào)速三種。具體的說常見的基本種類有降電壓調(diào)速、電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速、繞線轉(zhuǎn)子感應電機轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速、繞線轉(zhuǎn)子感應電機串級調(diào)速、變極對數(shù)調(diào)速、變壓變頻調(diào)速等,,2．變壓變頻調(diào)速及VVVF系統(tǒng),（學校標志）,《電動汽車

15、技術》電子教案,,圖4- 21感應電機變頻調(diào)速控制特性,,3．矢量控制矢量控制針對交流電機具有復雜的非線性和多變量耦合的電磁關系的特點，構成了控制模型與直流電機相似的交流電機磁場和力矩解耦控制的原理，它可以使交流電機具有與直流電機相媲美的性能，而且矢量控制策略的方案很多，常見的就有轉(zhuǎn)差頻率矢量控制、無速度傳感器矢量控制、參數(shù)自適應補償矢量控制等等矢量控制實現(xiàn)的基本原理是通過測量異步電機定子電流的矢量，根據(jù)磁場定向原理分別對異步電機的

16、勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進行控制，從而達到控制異步電機轉(zhuǎn)矩的目的,（學校標志）,《電動汽車技術》電子教案,,4．感應電動機直接轉(zhuǎn)矩控制,（學校標志）,《電動汽車技術》電子教案,,4.4　永磁無刷直流電動機永磁無刷電動機具有高功率密度、高效率、易散熱、高可靠性、較好的動態(tài)性能等特點,成為當前驅(qū)動用電機的研究熱點。永磁無刷電動機可以分為兩類，一類是永磁無刷直流電動機(簡稱BLDCM)，另一類是永磁同步電動機(簡稱PMSM)。區(qū)別于永磁同步電動

17、機(簡稱PMSM)，永磁無刷直流電動機(簡稱BLDCM)由直流電動機發(fā)展而來，用位置傳感器和逆變器構成的電子換向器取代機械換向器，把輸入直流電流轉(zhuǎn)換成交變的方波電流輸入電樞繞組，其轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生方式、運行性能、控制方法等接近直流電動機。,（學校標志）,《電動汽車技術》電子教案,,4.4.1 永磁無刷直流電動機的結(jié)構和工作原理1.結(jié)構,（學校標志）,《電動汽車技術》電子教案,圖8-23 永磁無刷直流電動機結(jié)構l—轉(zhuǎn)軸；2—前端蓋；3—端蓋安

18、裝螺釘；4—軸承調(diào)整墊片；5—軸承；6—定子組件；7—永磁轉(zhuǎn)子組件； 8、10—位置傳感器；9—后端差；,,圖4-24 永磁無刷直流電動機轉(zhuǎn)子形式,（學校標志）,《電動汽車技術》電子教案,,2．工作原理,（學校標志）,《電動汽車技術》電子教案,永磁無刷直流電動機原理電路,,兩相導通星形三相六狀態(tài)永磁無刷直流電機工作原理示意,（學校標志）,《電動汽車技術》電子教案,,4.4.2永磁無刷直流電機的特點永磁無刷直流電機在保持了傳統(tǒng)直流電

19、機優(yōu)點的基礎上，性能較之有很大提高，它既具備交流電動機的結(jié)構簡單、運行可靠、維護方便等一系列優(yōu)點，又具備直流電動機的運行效率高、調(diào)速性能好等諸多優(yōu)點。,（學校標志）,《電動汽車技術》電子教案,,4.4.3 永磁無刷直流電機的運行特性,（學校標志）,《電動汽車技術》電子教案,,圖4-27 永磁無刷直流電機在不同電源頻率下的機械特性曲線,,（學校標志）,《電動汽車技術》電子教案,圖4-28 永磁無刷直流電動機在不同占空比下的機械特性,,4

20、.4.4 永磁無刷直流電機的控制由上述永磁無刷直流電機的運行原理可知，當轉(zhuǎn)子的位置發(fā)生改變時，控制電路功率器件也會隨之相應改變其不同觸發(fā)狀態(tài)，這樣就可以實現(xiàn)BLDC電機的運行。因此，準確地檢測BLDC電機轉(zhuǎn)子的位置，并且根據(jù)轉(zhuǎn)子位置來及時地切換功率器件的觸發(fā)組合狀態(tài)，是控制BLDC電機正常運行的一個關鍵性的問題,（學校標志）,《電動汽車技術》電子教案,,1. BLDC電機轉(zhuǎn)子位置檢測（1）有轉(zhuǎn)子位置傳感器檢測方法在此方法中，轉(zhuǎn)子

21、位置傳感器是永磁無刷直流電機的關鍵部件，它對電機轉(zhuǎn)子位置進行檢測，其輸出信號經(jīng)過控制器的邏輯變換后去控制開關管的通、斷，使電機定子各相繞組按順序?qū)?，保證電機連續(xù)工作。轉(zhuǎn)子位置傳感器的主要種類包括磁敏式、電磁式、光電式等，篇幅所限，傳感器原理請讀者參考其他文獻。,（學校標志）,《電動汽車技術》電子教案,,（2）無轉(zhuǎn)子位置傳感器檢測方法為減少上述傳感器問題，已有多種技術開發(fā)出來用于消除傳感器，進而實現(xiàn)無傳感器的轉(zhuǎn)子位置檢測。典型的無

22、轉(zhuǎn)子位置傳感器檢測方法主要有反電動勢法、電感檢測法、三次諧波檢測法、擴展卡爾曼濾波法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡法等。,（學校標志）,《電動汽車技術》電子教案,,2. 永磁無刷直流電機的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié),（學校標志）,《電動汽車技術》電子教案,圖4-29 永磁無刷直流動機的PWM調(diào)速系統(tǒng),,（學校標志）,《電動汽車技術》電子教案,4.5永磁同步電動機4.5.1永磁同步電動機的結(jié)構和工作原理1．結(jié)構,圖4-30 永磁同步電機橫截面示意圖l—定子鐵心；2—

23、定子繞組；3—轉(zhuǎn)軸；4—稀土永磁體；5—轉(zhuǎn)子鐵心,,2．工作原理,（學校標志）,《電動汽車技術》電子教案,,4.5.2 永磁同步電動機的分類和特點 1．分類按照工作主磁場方向的不同，分為徑向磁場式電機和軸向磁場式電機；按照電樞繞組位置的不同，分為內(nèi)轉(zhuǎn)子式電機和外轉(zhuǎn)子式電機；按照轉(zhuǎn)子上有無啟動繞組，分為無啟動繞組電機和有啟動繞組電機。按照供電電流波形的不同，分為矩形波永磁同步電機和正弦波永磁同步電機；按照永磁體在轉(zhuǎn)子上安

24、裝位置的不同而形成轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構的不同，可分為表面式和內(nèi)置式兩種永磁同步電機；,（學校標志）,《電動汽車技術》電子教案,,2．特點永磁無刷電動機的優(yōu)點包括：(1) 功率密度高 由于電機由高能永磁材料勵磁,對于給定的輸出功率,它的質(zhì)量和體積能夠大大減小，使得功率密度提高。(2) 效率高 由于轉(zhuǎn)子無繞組，無銅損，其效率高于感應電動機。(3) 動態(tài)性能好 PMSM結(jié)構更加簡單，體積更小而且質(zhì)量更輕，轉(zhuǎn)子電磁時間常數(shù)小，響應快。(

25、4) 可靠性高(5) 控制容易實現(xiàn),（學校標志）,《電動汽車技術》電子教案,,4.5.3 永磁同步電動機的特性1．工作特性,（學校標志）,《電動汽車技術》電子教案,,2．機械特性,（學校標志）,《電動汽車技術》電子教案,,4.5.4 永磁同步電機的控制1．永磁同步電機磁場定向控制磁場定向控制技術，或稱為矢量控制技術，其基本思想是借鑒直流電機中轉(zhuǎn)矩電流和勵磁電流正交解耦，分別可控的特點通過旋轉(zhuǎn)坐標變換將交流電機等效成直流電機，通

26、過分別控制電樞電流中的勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流分量使交流電機獲得像直流電機一樣優(yōu)異的調(diào)速性能。,（學校標志）,《電動汽車技術》電子教案,,（學校標志）,《電動汽車技術》電子教案,圖4-34 PMSM驅(qū)動器的硬件結(jié)構,,2．永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制和磁場定向控制相區(qū)別，直接轉(zhuǎn)矩控制直接將電機轉(zhuǎn)矩作為直接控制對象，省去了中間控制環(huán)節(jié)。,（學校標志）,《電動汽車技術》電子教案,,4.6　開關磁阻電動機4.6.1開關磁阻電動機的結(jié)構和工作原理,

27、（學校標志）,《電動汽車技術》電子教案,圖4-36四相8／6極開關磁阻驅(qū)動電機,,4.6.2開關磁阻電動機的分類和特點1.分類徑向相對的兩個繞組串聯(lián)構成一個兩極磁體，成為“一相"。根據(jù)定轉(zhuǎn)子極數(shù)的不同，有多種電機結(jié)構，最常用的是三相6／4結(jié)構和四相8／6結(jié)構，如圖4-37所示，下列結(jié)構分別是三相6／4結(jié)構、四相8／6結(jié)構和六相12/8結(jié)構。,（學校標志）,《電動汽車技術》電子教案,,（學校標志）,《電動汽車技術》電子教案

28、,圖4-37 開關磁阻電路的結(jié)構方案,,2．特點（1）結(jié)構簡單（2）運行效率高（3）起動和低速性能好（4）調(diào)速性能好（5）可靠性高另外，應用于電動汽車，開關磁阻電機還具有制造和維護方便、整體結(jié)構散熱較容易、能適應惡劣環(huán)境的優(yōu)點。,（學校標志）,《電動汽車技術》電子教案,,4.6.3 開關磁阻電機的工作特性開關磁阻電動機工作特性如圖4-38所示，可分為3個區(qū)域：恒轉(zhuǎn)矩區(qū)、恒功率區(qū)、串勵特性區(qū)。,（學校標志）,《電動汽車技術》

29、電子教案,,4.6.4開關磁阻電機的控制開關磁阻電機SRM的控制方式通?？梢苑譃橐韵氯N：(1)電流斬波控制方式(Current Chopping Control，簡稱CCC方式)；(2)角度位置控制方式(Angle Position Control，簡稱APC方式)；(3)電壓控制( Voltage Control簡稱VC方式)。,（學校標志）,《電動汽車技術》電子教案,,1．電流斬波控制方式SRM在低速工作特別是起動時

30、，反電動勢較小，相電流上升很快，通常采用電流斬波控制方式，以限制電流峰值，獲得恒轉(zhuǎn)矩機械特性。CCC方式有兩種方案：(1)限制電流上、下限；(2)限制電流上限并恒定關斷時間。,（學校標志）,《電動汽車技術》電子教案,,2．角度位置控制方式SM電機在高速區(qū)適合采用APC方式，此時轉(zhuǎn)速較高，運動電勢大，電流上升不明顯，調(diào)節(jié)開通角和關斷角的大小即可調(diào)節(jié)電流，從而實現(xiàn)調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)矩。APC方式的關鍵在于將角度量轉(zhuǎn)化為相應速度的時間可控量，

31、由于有兩個變量需要調(diào)節(jié)，使得控制復雜度提高。對于一定的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，開通角和關斷角可以采用不同的組合，因而出現(xiàn)了開通角和關斷角的最優(yōu)選擇問題。,（學校標志）,《電動汽車技術》電子教案,,3．電壓控制的脈寬調(diào)制方式電壓控制的PWM方式是對功率變換器的開關管采用固定通斷觸發(fā)，同時用PWM信號復合調(diào)制功率開關管相控信號，通過調(diào)整占空比的大小調(diào)節(jié)加載的繞組電壓。PWM脈沖周期T固定，在導通時，繞組加正向電壓，在關斷后加零電壓或反電壓。改變占空比

32、，則繞組電壓的平均值U隨之變化，繞組電流也相應變化，從而調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，因此該方式也被稱為電壓斬波控制方式。類似于電流斬波控制方式，提高PWM脈沖頻率，則電流波形比較平整，電機輸出增大，運行噪聲減小，但功率開關管控制難度增大。,（學校標志）,《電動汽車技術》電子教案,,思考題和作業(yè)題調(diào)研國內(nèi)常見的電動汽車所應用的驅(qū)動電機類型和基本工作參數(shù)，并完成調(diào)研報告。調(diào)研國內(nèi)的生產(chǎn)制造商所提供的驅(qū)動電機類型和基本工作參數(shù)，并完成調(diào)研報告。分析