電動(dòng)汽車電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)與控制策略

由于能源、環(huán)境問題和社會(huì)的高度關(guān)注，電動(dòng)汽車的發(fā)明被認(rèn)為是個(gè)人和城市交通的有前途和有效的交通工具。由于電池的壽命有限，通常可以通過減小汽車電機(jī)的體積來實(shí)現(xiàn)能量效率優(yōu)化。

電機(jī)是純電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)中最重要的部件之一。電機(jī)應(yīng)滿足許多性能要求，如最大功率和轉(zhuǎn)矩密度、高效率、最小體積和重量、過載能力、控制能力、低成本、低振動(dòng)和噪音和高可靠性等。電機(jī)和電池包性能直接反映在車輛性能上，即加速時(shí)間、最高速度、車輛動(dòng)態(tài)特性、車輛行駛舒適度和車輛充電后的續(xù)駛里程。

不同類型的三相電機(jī)能夠按整車技術(shù)要求執(zhí)行完美驅(qū)動(dòng)運(yùn)行。大型汽車公司已經(jīng)開發(fā)出了自己獨(dú)創(chuàng)的電機(jī)結(jié)構(gòu)，并通過一系列的改進(jìn)設(shè)計(jì)來保持電機(jī)性能和牽引技術(shù)競爭優(yōu)勢。

電機(jī)的結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)技術(shù)是相互關(guān)聯(lián)的，且控制策略與電動(dòng)汽車的性能密切相關(guān)。下面將進(jìn)行簡單的介紹。

1 電動(dòng)汽車電機(jī)的結(jié)構(gòu)研究[1]

回顧當(dāng)今制造的電池電動(dòng)車輛（BEV）中的牽引電機(jī)設(shè)計(jì)，可以看出，根據(jù)領(lǐng)先的設(shè)計(jì)者開發(fā)了很多不同系列電機(jī)。對(duì)BEV的產(chǎn)生重大影響的一個(gè)基本因素就是電池技術(shù)的進(jìn)步。電動(dòng)汽車牽引電機(jī)的發(fā)展與整個(gè)BEV演變密切相關(guān)。

所有混合動(dòng)力車和大多數(shù)全電動(dòng)車都采用大型內(nèi)部永磁同步電機(jī)和稀土磁鐵（剩余磁通密度高達(dá)1.4 T）。重稀土元素鏑是允許NdFeB磁體在較高溫度下運(yùn)行的關(guān)鍵部件。這對(duì)于在大量的應(yīng)用中使用PM非常重要，例如牽引電機(jī)。由于它們具有非常高的磁能，稀土磁體產(chǎn)生強(qiáng)磁場，從而導(dǎo)致更小的電機(jī)體積。稀土永磁同步電機(jī)的能量轉(zhuǎn)換效率最高，它們具有最大的功率密度和最高的峰值效率。稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)具有許多優(yōu)點(diǎn)—高功率和轉(zhuǎn)矩密度、高效率和功率因數(shù)、尺寸小和重量輕。此外，具有高磁阻轉(zhuǎn)矩的電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)有助于在弱磁場中的運(yùn)轉(zhuǎn)。

在最受歡迎的純電動(dòng)轎車Model S-P90D版本中，特斯拉采用雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的單電機(jī)驅(qū)動(dòng)相比，雙電機(jī)汽車中的全輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是一種明顯的改進(jìn)。后部電機(jī)可以進(jìn)行加速調(diào)節(jié)，而前置電機(jī)可以進(jìn)行調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)高效的公路巡航。電池組、電動(dòng)機(jī)和道路的狀態(tài)變化很大。組合的電機(jī)軸功率通常超過電池電功率。全輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)響應(yīng)于車輛中的一般條件和載荷傳遞將可用電力分配給電機(jī)。

不同類型的牽引電機(jī)具有各自的優(yōu)點(diǎn)。稀土永磁電機(jī)以更高的成本提供更好的性能，而感應(yīng)電機(jī)以更低的價(jià)格提供適中的性能。永磁電機(jī)更適合在低速和中速范圍內(nèi)的強(qiáng)大負(fù)載，而感應(yīng)電機(jī)可能在更高的速度下占主導(dǎo)地位，其效率相當(dāng)甚至更好。電勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)也具有良好的特性，但功率密度較低。稀土永磁同步電機(jī)在現(xiàn)代電池電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)中占主導(dǎo)地位。然而，對(duì)于成本、性能和可靠性方面的評(píng)價(jià)時(shí)，銅轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機(jī)是電動(dòng)車永磁電機(jī)的強(qiáng)有力的替代品。作者提供的海平斯槽部銅損見圖1。

圖1 海平斯槽部銅損圖（Chevy Spark EV）[1]

2 采用開關(guān)定子技術(shù)的電機(jī)結(jié)構(gòu)[2]

2.1 主要目的和主要原理

電動(dòng)汽車的核心是其能源利用，車輛的總體性能取決于能源的利用效率。這種電機(jī)主要目的是使電動(dòng)汽車能夠克服其速度、負(fù)載和續(xù)駛里程限制，提高電池的能量效率，從而提高整車的能源利用率，有助于降低負(fù)載電流、電池功率和能量。

Ravi Kumar提出了一種新的電動(dòng)車傳動(dòng)系配置與開關(guān)定子BLDC電機(jī)（SS_BLDC）。兩個(gè)定子采用不同扭矩/反電動(dòng)勢常數(shù)的獨(dú)立三相繞組。內(nèi)定子設(shè)計(jì)有扭矩常數(shù)，以滿足車輛的正常運(yùn)行，外定子設(shè)計(jì)有扭矩常數(shù)，以滿足高加速和減速要求。2個(gè)功率逆變器用于根據(jù)控制算法獨(dú)立為定子供電。車輛所需的速度輸入到設(shè)備。加速度來自輸入速度要求，是在兩個(gè)定子之間切換的決策參數(shù)。當(dāng)加速度大于設(shè)定值時(shí)，具有較高轉(zhuǎn)矩常數(shù)的外定子被激活，保持另一個(gè)定子處于停用狀態(tài)，如果加速度小于設(shè)定值，則內(nèi)定子處于被激活模式，保持外定子停用狀態(tài)。兩個(gè)定子之間的切換是通過固態(tài)開關(guān)完成的。

2.2 結(jié)論

所提議的開關(guān)定子BLDC電機(jī)用于電動(dòng)車輛以提高車輛的能量效率。該電機(jī)設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)配置相比，電池消耗的功率和能量較少，被認(rèn)為是用于電動(dòng)車輛節(jié)能的較好的設(shè)計(jì)。

3 可變磁通電機(jī)的新結(jié)構(gòu)[3]

3.1 主要目的和主要原理

電機(jī)需要更高的輸出和更寬的輸出范圍。同時(shí)，由于環(huán)境能量問題，特別強(qiáng)調(diào)實(shí)現(xiàn)更高的效率。對(duì)于需要續(xù)駛里程長的電動(dòng)車（EV）等應(yīng)用，要求電機(jī)在整個(gè)輸出范圍內(nèi)以高效率驅(qū)動(dòng)。可調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的磁場磁通強(qiáng)度的可變磁通電動(dòng)機(jī)（VMFM）可以有效解決以上問題。

圖2 電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)[3]

一種VMFM的設(shè)計(jì)和制造，是通過使用致動(dòng)器相對(duì)轉(zhuǎn)子中心沿軸向分成三個(gè)部分來實(shí)現(xiàn)磁場通量的機(jī)械調(diào)節(jié)，可以同時(shí)滿足高輸出和高效率(圖2)。可以實(shí)現(xiàn)分開的轉(zhuǎn)子中心磁極的相對(duì)旋轉(zhuǎn)。當(dāng)三個(gè)轉(zhuǎn)子的N極和S極分別在一條線上對(duì)齊時(shí)，來自轉(zhuǎn)子的磁通量最強(qiáng)（最大磁場通量狀態(tài)）。另一方面，當(dāng)不同的磁極對(duì)準(zhǔn)時(shí)，磁通量在轉(zhuǎn)子內(nèi)部被短切，因?yàn)镹極靴與S極靴對(duì)齊。結(jié)果，從轉(zhuǎn)子到定子的磁通量變得最弱（最小磁場通量狀態(tài)），并且定子中產(chǎn)生的鐵損減少。此外，快捷磁通量基本上不變，因此轉(zhuǎn)子中不會(huì)發(fā)生鐵損。因此，電機(jī)的鐵損減少了。當(dāng)轉(zhuǎn)子中心磁極相對(duì)于軸的相對(duì)旋轉(zhuǎn)的角度被稱為相對(duì)角度時(shí)，切割相對(duì)角度的磁通量也會(huì)改變。感應(yīng)電壓大小與最大磁場通量狀態(tài)的比率被稱為磁場通量率時(shí)，而且當(dāng)不需要高輸出時(shí)，可以通過將磁場通量率降低到任意值來減少鐵損。

3.2 結(jié)論

實(shí)現(xiàn)更高輸出和高效驅(qū)動(dòng)的VMFM，其中心磁極可以通過致動(dòng)器旋轉(zhuǎn)。評(píng)估電動(dòng)機(jī)特性和控制。在這些特性中，可以任意改變感應(yīng)電壓，并且在滿足轉(zhuǎn)矩要求的情況下，可以實(shí)現(xiàn)足夠低的空載損耗。通過驅(qū)動(dòng)所提出的VMFM通過映射控制確認(rèn)可以在更寬的范圍內(nèi)控制矢量控制相位角，并且同時(shí)執(zhí)行驅(qū)動(dòng)甚至改變磁場磁通的強(qiáng)度。還證實(shí)，通過將電流值、相位角和磁場通量率調(diào)節(jié)到適當(dāng)?shù)闹担梢栽谠碗妱?dòng)機(jī)中實(shí)現(xiàn)更寬的輸出范圍內(nèi)的更高效率。

4 永磁同步電動(dòng)機(jī)的高效磁通弱化控制策略[4]

4.1 主要目的和主要原理

永磁同步電動(dòng)機(jī)廣泛應(yīng)用于輕型電動(dòng)汽車中。理想情況下，在永磁同步電機(jī)中，氣隙磁通密度分布和由永磁材料提供的定子繞組中產(chǎn)生的電壓的特征形成正弦波形。在保持逆變器電壓的同時(shí)，在弱磁通區(qū)域中，已經(jīng)提出了各種控制算法以獲得期望的轉(zhuǎn)矩—速度性能。通過相應(yīng)的最佳直流母線電壓以及最大輸入電壓和額定轉(zhuǎn)矩，機(jī)器可以達(dá)到極速的速度。超過這個(gè)速度，感應(yīng)的電動(dòng)勢將超過最大施加電壓，這反過來使機(jī)器的相電流變得不切實(shí)際。為了克服這種情況，通過削弱氣隙磁通鏈路，感應(yīng)電動(dòng)勢必須小于施加的電壓。相互氣隙磁鏈?zhǔn)寝D(zhuǎn)子和定子磁鏈的產(chǎn)物。這個(gè)所提出的弱磁控制過程類似于通常在單獨(dú)激勵(lì)的直流電機(jī)中完成的弱磁通技術(shù)。

在該提議的工作中，結(jié)合了速度控制的PMSM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，用于建立弱磁通操作。為簡單起見，基本扭矩控制的PMSM驅(qū)動(dòng)器被認(rèn)為可用于所提出的機(jī)器的速度調(diào)節(jié)的速度外部控制回路。在圖3中示出所提出的速度受控驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖。所提出的框圖中的虛線部分表示矢量控制器部分。矢量控制有時(shí)也稱為解耦控制或磁場定向控制。通過在PMSM驅(qū)動(dòng)中建立矢量控制，通過定子激勵(lì)輸入獲得磁通和轉(zhuǎn)矩的獨(dú)立控制。

圖3 速度控制PMSM驅(qū)動(dòng)器的系統(tǒng)框圖[4]

4.2 結(jié)論與展望

建立了在恒轉(zhuǎn)矩角區(qū)域內(nèi)的速度控制PMSM驅(qū)動(dòng)器的有效弱通量減弱運(yùn)轉(zhuǎn)。為了在弱磁期間實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的所期望的性能，減小操作扭矩參考以保持氣隙功率恒定。在這個(gè)所提出的策略中，通過并入信號(hào)調(diào)節(jié)電路和速度控制器輸出來維持電磁轉(zhuǎn)矩的大小。在輕型電動(dòng)汽車中，由于重量更輕、功率密度更高、轉(zhuǎn)矩—速度曲線穩(wěn)定、效率高、控制電路簡單等優(yōu)點(diǎn)，這種弱磁控制技術(shù)是高效和有利的。未來可以對(duì)所提出概念進(jìn)一步擴(kuò)大研究，可以在實(shí)時(shí)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)并達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

5 無刷直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制策略[5]

5.1 主要目的和主要原理

因?yàn)殡姍C(jī)扭矩和速度可以快速準(zhǔn)確地生成和控制。開發(fā)的底盤控制系統(tǒng)需要精確的機(jī)械建模。這些機(jī)械參數(shù)需要與各個(gè)子系統(tǒng)/組件同步，以提供車輛穩(wěn)定性和控制(見圖4)。然而，只有當(dāng)所有車輪和所有三個(gè)方向上的輪胎力都能受到精確的控制時(shí)，才能實(shí)現(xiàn)最佳的駕駛動(dòng)態(tài)。這種控制水平要求車輛配備各種底盤控制系統(tǒng)，這些系統(tǒng)集成并聯(lián)網(wǎng)在一起。使用電力電子轉(zhuǎn)換器控制無刷直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器，以便向車輪提供所需的控制動(dòng)作。

圖4 電動(dòng)汽車配置[5]

Ranjan K.Behera使用閉環(huán)控制的滯后控制技術(shù)。在該控制中，受控信號(hào)被限制在參考信號(hào)周圍的所提供的帶隙內(nèi)。示例如果電機(jī)速度低于參考速度以下的某個(gè)水平。然后開關(guān)關(guān)閉，如果速度達(dá)到低于參考速度以下的某個(gè)水平，則開關(guān)打開。在較低調(diào)制指數(shù)下，三相單獨(dú)滯后控制之間缺乏協(xié)調(diào)可能導(dǎo)致高開關(guān)頻率。該控制器的問題在于當(dāng)帶隙窄時(shí)，它會(huì)產(chǎn)生高且不受控制的開關(guān)頻率。下置開關(guān)保持接通，而上置操作以限制帶內(nèi)的受控變量。電流控制可以為BLDC驅(qū)動(dòng)提供所期望的電流限制和快速動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩控制。基于適當(dāng)?shù)拈_關(guān)狀態(tài)控制電流，該開關(guān)狀態(tài)被饋送到VSI。增大和減小電流以限制誤差帶內(nèi)的電流誤差，使得相電流波形與參考電流相同。滯后控制技術(shù)用于控制BLDC電機(jī)驅(qū)動(dòng)。該技術(shù)可以提供所需的電流限制和快速動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)。

5.2 結(jié)論與展望

制定了有效的控制策略，以改善駕駛動(dòng)態(tài)和道路坡度。施加了扭矩平衡電動(dòng)汽車并在正常和緊急駕駛操縱期間穩(wěn)定車輛。模擬不同的駕駛循環(huán)并呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。但是沒有在不同條件下分析系統(tǒng)。對(duì)不同條件下系統(tǒng)的進(jìn)一步分析將是未來的工作。