现代交流调速
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
电动汽车用异步电动机直接转矩 控制研究
张肖培 / 赵洪翠 2016.7.5
西安建筑科技大学机电工程学院
目录
01 电动汽车发展现状
02 电动汽车的关键技术
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
04 直接转矩控制
4.1
直接转矩控制特点
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。
3 / 12
1 电动汽车发展现状
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。
电动汽车能量管理系统
一个能对电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。
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。
2 发展电动汽车的关键技术
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
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。
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
1 电动汽车发展现状
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。
应用于电动汽车的新一代阀控式密封铅酸蓄电池 (valve-regulate d lead acid battery, VRLA)不须维护，允许深度放电，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。
3 电动汽车电池的现状及发展趋势
本文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。
铅酸蓄电池
镍氢电池
锂离子电池
9 / 12
铅酸蓄电池
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。
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。
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。
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。
5 / 12
电池技术
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
驱动电机及其控制器
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。
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。 Hale Waihona Puke Baidu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。
张肖培 / 赵洪翠 2016.7.5
西安建筑科技大学机电工程学院
目录
01 电动汽车发展现状
02 电动汽车的关键技术
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
04 直接转矩控制
4.1
直接转矩控制特点
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。
3 / 12
1 电动汽车发展现状
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。
电动汽车能量管理系统
一个能对电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。
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。
2 发展电动汽车的关键技术
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
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。
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
1 电动汽车发展现状
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。
应用于电动汽车的新一代阀控式密封铅酸蓄电池 (valve-regulate d lead acid battery, VRLA)不须维护，允许深度放电，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。
3 电动汽车电池的现状及发展趋势
本文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。
铅酸蓄电池
镍氢电池
锂离子电池
9 / 12
铅酸蓄电池
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。
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。
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。
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。
5 / 12
电池技术
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
驱动电机及其控制器
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。
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。 Hale Waihona Puke Baidu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。