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电动汽车交流电传动系统设计


轨戍舂5屯力牵甜
荔零荆鳓鳞

电动汽车交流电传动系统设计
伍理勋
中国南车集团株洲电力机车研究所.湖南株洲41 2001)

摘要:电传动是电动汽车的关键技术之一,它由牵引电机、牵引变流器、控制系统三部分组成。文章详细介 绍了电动汽车电传动系统的特点,设计原则、交流调速原理,电传动系统的控制方式,以厦交流调速的发展方向。 关键词:电动汽车;变流传动;牵引变流器;牵引电机;变流技术;交流传动控制 中图分类号:u469
72

文献标识码:A

文章编号:167l-8410(2007)O岳0053—05

Design of AC Electric Drive

System for

Electric

V曲icle

WUU-x¨
(zhuzhou E】ec扛=|c L。com撕ve Research Insdnlte'CsR,Zhuzhou,Hunall 412001,Chjna)

Ab蛐ract:Elec—c drive,c叩sis协oftfac吐0nmoto‘缸acdonc∞verccr柚dconⅡD1 s”tem,iso肥ofⅡIckcytel:11nologies ofelec缸c Ve}licle

ne charactedsdcs,desig工l principles,ac speed-regul撕on t11eodes,elec仃ic
elec—c ddve for

system con讧ol粕d

development眦nd

of

ac

sPeed-regulation

of

clc咖c vehicle a佗inⅡoduced i工I detail.

K哪word戤eIec砸cv枷de;ac越";昀c石onconVe船。缸cdonma的f:conv猷ertechnology;ac drivec∞删



引言
电动汽车是以自载电池为电源,依靠大功率电动

的技术手段和保证a


电动汽车对电传动系统的要求
电动汽车包括混合动力电动汽车(HEv),纯电动汽

机提供动力的新型交通工具。电动汽车具有清洁无污 染,动力源多样、能量转换效率高、结构简单、使用维 护方便等优点,被称为“21世纪的绿色环保汽车”。驱动 电机及其控制器技术是电动汽车的三大关键技术(电 池技术;驱动电机及其控制器技术;电动汽车能量管 理系统)之一。

车(Ev l燃料电池汽车(FCEv)。尽管电力驱动在各种类 型的电动汽车中的布置及结构稍有区别,但均包括以 下几个部分:电机驱动装置,机械传动装置和车轮,其 中机械减速器有时可省略。不论电动汽车的驱动系统 采用哪种布置方式,其电机驱动装置的结构基本上都 相同,主要由三部分组成:牵引电机、功率变换器和电 子控制器,它们是电动汽车驱动系统的核心。 从获得尽可能高的平均行驶速度的观点出发,汽 车的动力性能主要可由三方面的指标来评定,即:(1) 汽车的最高速度;(2)汽车的加速时间;(3)汽车的爬 坡能力。

电力电子器件的蓬勃发展和更新换代促进了变流
技术的迅速发展和变流装置的现代化;矢量控制技术 的诞生和发展为现代交流调速系统高性能化奠定了基 础;微型计算机控制技术与大规模集成电路的发展和 广泛应用为现代交流调速系统的成功应用提供了重要
收稿日期:2007.07—20 作者简介:伍理勋(1 971一),男,硕士,高级工程师.主要从事

电动汽车对牵引电机系统的要求主要包括: (1)基速以下输出大转矩,以适应车辆的启动,加

变流产品的技术研发,其中以电动汽车电传动系统的研发为主。

万方数据

电动汽车交流电传动系统设计

速.负荷爬坡,频繁启停等复杂工况; (2)基速以上为恒功率运行,以适应最高车速,超 车等要求; (3)会转速运行范围内的效率最优化,以提高车辆 的续驶里程;


式(1)中的驱动力P也可以由式【2)根据传动参数和电

机转矩瓦进行计算:

F:逊


(2)

式中:f——驱动力N;r——车轮半径(M);L。——牵 引电机输出转矩(N?m*f,——变速器的传动比;f。一
一主加速器的传动比;坼一一传动系的机械效率。

(4)结构坚同,体积小,质量轻,环境适应性好和可 靠性高; (5)低成本及大批量生产能力。


汽车总阻力艺F是汽车收到的各种阻力之和:

电动汽车电传动系统运行模式
电动汽车电机控制器存在以下几种运行模式组

∑,=F,+‘+F+C

(3)

式电∑,——总阻办毕H任w(om7 6+0.000 056心卜一

合:“向前,向后”、“牵引,制动”,其中“牵引”或“制动” 信号控制电机工作在牵引(电动)状态或制动(发电)状 态,“前进”或“后退”信号控制电机正转或反转(图1 k 、√

滚动阻力(其中“。——速度(km,h));F庐号}等——
空气阻力.(其中cD为空气阻力系数(客车n5一O 8),^为 迎风面积(客车4~7));F=Gsin口——坡度阻力,(其中 G为重力(N)=”曙(m为汽车质量,g为重力加速度X


转炬

卜—一再生震电————’ f———一电动—————+ }——一电氆蒯动———’



为坝4倾角,与坡度f的关系为扛÷=装=tga);
‘=6“警——加速阻力,(其中5为汽车旋转质量换
算系数,m为汽车质量(kg),d“,dr为加速度) 按照汽车的行驶方程可知,为了满足整车动力性 的要求,需要电传动系统有如罔2中所示的牵引电动机 外特性。

同步转遘

7卜~

l、、自动力矩

f。

1转整率(。)(转差舟颤奉。

\√
甜。——转差角频率,∞。——同步角频率,
甜.——转子角频率,j——转差率 图l Fig


电传动系统运行模式
1110de 0fekc仃ic drive

0pe陬ion

syslem

向前牵引时∞;.为+,∞。为+;向前制动时“。为 一,m,为+;向后牵引时Ⅳ。,为一,∞,为—;向后制动 时∞。l为+,∞。为一。


电动汽车电传动系统参数计算方法
电传动系统将各种电能转变成机械能驱动整车运

图2满足12m整车需求的电传动系统外特性
Fig.2

Ex啪al chamcte^sticofe】ecmcddvefofl2mwhole veIlick des慨

行,同时也可以将整车的机械能转变成电能,实现能量 的再生。 以中大型公交车为例,为了满足运行要求,城市公交 车需达到如下主要技术指标:最高速度不低于70
km,h

其中:最大转速为2400咖血l;最大力矩为2180N?m; 最大功率为150kw。 为了发挥交流传动的优点,需要提高电机的输出 转速,可以在电机的输出端和后桥之问增加一级减速 器,用以提高电机的输出转速,降低输出力矩。如增加 一级减速比为2.34:1的减速器后对电机的性能要求变 为(不考虑减速器的效率损失):最大转速为5
616 r,r【Iin;

(持续路程不低于1 km);最大爬坡度不低于12%;加速
能力:25 s(0—50krrI,11);假设采用后桥驱动,后桥的主 减速比忙6.20。 根据汽车的行驶方程:

最大力矩为932N?m;最大功率为150kw。常见的一种
(1)

f”_∑F
万方数据

后桥驱动方式如图3所示。

电动汽车交流电传动系统设计

机系统。与原有的直流牵引电机系统相比,具有明显 优势,其突出优点是体积小,质量轻(其功率质量比为
0 5一1.O

kg,kw)、效率高、基本免维护、溷速范围广。

目前电动汽车牵引电机主要有:直流电机(Dc),异 步电机(IM),永磁电机(BDcM和PMsM)和开关磁阻 电机(sRM)。其各自特点见表2。 袁2
Tab 2

各种类型电机的特点
characte—stjcs of motors

直流电机交流异步电机永磁电机开关磁阻电机 功率密度 转矩转速特性


一般 好 好 好 低 高

好 好

一槛 好

一般 最好


图3
Fig.3

一种电动后桥布置方案

AⅡ{越gc工n翩t

scb锄e硝eh矾cbacka吼e

八构坚靴
操作性 &寸爰质量 成本

转速打?min

4000,6000 9000—15 000 40(Xkl5(X)o>15 000

好 一般 高 高

好 好 小,轻 低于异步电机 一般

太,重 高 低

一般.一般小。轻



电动汽车交流电传动系统
高密度、高效率、宽调速的电动汽车牵引电机及其

控制器成本

控制系统既是电动汽车的心脏,又是电动汽车研制的 关键技术之一,20世纪80年代前,几乎所有车辆的牵引 电机均为直流电机,这是因为直流牵引电机具有起步。 加速牵引力大,控制系统较简单等优点。直流电机的缺 点是有机械换向器,在高速大负载工况下,换向器表面 会产生火花,所以电机的运转不能太高。由于直流电机 的换向器需保养,叉不适合高速运转,除小型车外,目 前一般已不采用。 由于受安装空间和运行条件的限制,对电动汽车 电传动系统提出了非常苛刻的要求。与传统电机系统 的主要区别见表I。 表1
Tab.1

无论采用哪种交流电机,交流传动系统的组成基 本相似,即由牵引变流器、牵引电机、控制系统3部分组 成(图4)。
牵引变流嚣’

工业用电机系统与电动汽车电传动系统的主要区别
Main diffefences betWeen industrial motor 蜘delectlic drive systelnofelectIic vehicle
systeln

项目

工业用系统 空间不受限制。

汽车用系统 布置空问有限.

封装足寸

可用标准封装配套必额针对具体产品进行 的各种配件 工作环境 c一20~+40℃) 特殊的设计 电机:(一40一+105℃ 控制器(一40~+60℃ 可靠性要末 冷却方式 控制性能 较高瞄保证生产效率很高以保障乘车者安全 通常为风冷(体积盘)通常为水冷(体积小) 多为变频调连控制 需要精确的力矩控制, 动态性能较好 功率密度 性价比 电机鲍缘等级 较低(O 一般 一般


图4
Fig.4

电动汽车电传动系统组成

C0mposhi叩Ofdcctncd五vefor elecmc Vehlde

该3个组成部分是一个有机的整体,每一个又是一 个复杂的系统工程,图5中列举了纯电动车电传动系统 中各组成部分的各自相关技术。


1牵引变流器 根据输入输出电量的不同,变流技术主要分为4种

kw,k窖)

较高(1。1.5 kw擅g) 极高 极高(耐电晕绝缘站构 牵引级

类型(表3),牵引变流器用于实现直流与交流电最的转 换,即:牵引时将输入的直流电逆变成交流电(逆变); 再生制动时将电机输出的交流电整流成直流电(整流)。 电力电子技术是…门新兴技术,它是由电力学、电

控制器主要器件工业级

近10年来,主要发展交流异步电机和无刷永磁电

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6,2007

式中:尸。——电机输出功率;u,——电机输入电压(有 效值);,。——电机输入电流(有效值);cos口——功 率因数;竹一一电机转换效率。
4.2牵引电机 牵引电机可实现电能与机械能的转换,即:牵引时 将电能转换成机械能;再生制动时将机械能转换成电 能。 交流电机,特别是鼠笼式异步电机,具有结构简 单、制造容易、价格便宜、坚固耐用、转动惯量小、运行
图5
Fjg 5

纯电动车各部件基本结构框图
eIec廿ic vehicle eJem锄船

可靠、维修少、使用环境及结构发展不受限制等优点, 现在已经广泛的应用到我们生活的各个方面。 由电机学可知,异步电机转速为:

Basic con丘guration Ofpure

表3
Tab,3

变流技术的分类

C锄vener眦11nology classi雠anon

。:盟f1
n。



盟孤



(5)

式中:H——电机实际转速(r,min);工——电机定子供 电频率;n。——电机极对数;w。=2”工,电机定子供电角
频率(角速度)。 电机的转差率: 子学和控制理论三个学科交叉而成的,可以用倒三角 形对该门技术进行描述(图6)。其中电力电子器件是基 础,是现代交流调速装置的支柱,是牵引变流器的核心 部件。20世纪80年代中期以前,变流器功率回路主要采

J:生兰:兰竺
H;



电机的同步转速:

用晶闸管元件。80年代中期以后主要用第二代电力电子
器件GTR、vDMOs.IGBT元件,90年代中小功率变流器 主要采用IGBT,中大功率变流器主要采用GTO。目前已

驴警2芸
由上式可知,如果均匀地改变异步电机的定子供

电频率疋,就可以平滑地调节电动机的转速H。实际应用
中,不仅要求调节转速,同时还要求电传动系统具有良 好的机械特性。在额定转速以下调速时,希望电机中每 极磁通保持为额定值,这可通过恒压频比控制方法和 转差频率控制方法实现。在电机的整个速度范围中各 种参数之间的关系如图7所示,各种参数与牵引变流器 输出电源频率f之间的关系见表4。

经开始使用第4代元件,其包拄高压IGBT,IGcT,IEGT,
SGCT等。

图6
Fig 6

电力电子技术的倒三角形描述方式

Inve琏e-廿i柚glc desc^pt,ve metllod for power electronics

当牵引变流器的输入电压选定后,由式(4)可以算 出为了满足电传动的输出功率电机需要的三相电流有 效值L,以作为选定电力电子器件电流参数的主要依据。
Fig.7

图7
ExtemaI

牵引电机外特性图厦相关变量 ch啪c忙dsdc
drawing种d旭1ev卸t va由bles

t=√3也‘cos蜘

f41

for拄acdon mo幻r

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电动汽车交流电传动系统设计

57

表4

牵引电机相关变量在不同的运行区间的变化关系
VaIiable

们的应用,将使系统结构简单,响应迅速,抗干扰力强, 对参数变化具有鲁棒性,将大大提高整个系统的综合 性能。 (2)控制系统的全数字化 微电子及计算机技术的发展,高集成度和低成本 的高速微机专用芯片以及DsP等的问世及商品化,使全 数字的控制系统成为可能。用软件代替硬件.除完成要 求的控制功能外,还将具有保护,故障监视,自诊断等

Tab.4

rel撕onship

oftIle mlev如t Variable tor

仃acnon motor in diffbrent operation intervals



3控制系统 控制系统根据整车工况、司机指令等协调牵引变

其他功能。全数字化将是电动汽车控制乃至交流传动 系统的重要发展方向之一。

流器和牵引电机的工作,控制整车的运行。 交流传动的控制系统主要由控制硬件和控制软件 组成。 调速系统的任务是控制和调节电机的转速,然而, 转速是通过转矩来改变的。

5结语
交流调速系统已经在电动汽车中得到广泛的应用, 但这些还主要是基于传统技术的产品,这些产品还没 有形成大规模的工业化的生产。为了进一步提高系统 的性价比、优化性能,今后研究重点是:(1)系统集成
(6)

t—t:』婴
fn2

化;(2)高性能电机的控制策略和电机效率的优化;(3) 系统的热管理;(4)新型拓扑结构功率变换器的研究与 开发;(5)PwM模式的改进与优化;(6)系统失效模式 分析,系统可靠性,耐久性预测与快速评估方法;(7)系 统电磁兼容性,环境适应性研究及实验验证,系统的成 本控制等。 随着电力电子技术的发展和控制技术的日趋完善+ 交流传动已经应用于我们生活的各个方面,如机车传 动、轮船驱动、电动自行车等;另外为了降低城市公交 车的尾气排放,节省能源,减少对石油资源的依赖,现 在全世界都在开展各种电动汽车的研发,并已经开展 了多种多样的示范运营。 电动汽车具有噪声低、无污染、能源丰富,又能充 分利用夜间富裕的“谷电”,平衡电网负荷等优点,越来 越受到更多国家的重视。我们相信,电动汽车将会得到 迅猛地发展。

式中:7’.——电机的电磁转矩;r.——负载转矩;

-,=!;鲁——转动惯量;n——电机转速。
j,)

由式(6)可知,对于恒转速负载的启动,制动及调 速,如果能控制电机的电磁转矩恒定,则可获得恒定的 加(减)速运动。 控制方法主要有v,f控制法、转差频率控制法、矢量 控制法和直接转矩控制法(DTc)。 矢量控制基本原理是,通过测量和控制异步电机 定子电流矢量.根据磁场定向原理分别对异步电机的 励磁电流的转矩电流进行控制,从而达到控制异步电 机转矩的目的。 直接转矩控制以转矩为中心进行磁链、转矩的综 合控制。与矢量控制不同,直接转矩控制不采用解耦的 方式,从而在算法上不存在旋转坐标变换,简单地通过 检测电机定子电压和电流,借助瞬时空载矢量理论汁 算电机的磁链和转矩,并根据与给定值比较所得差值, 实现磁链和转矩的直接控制。 控制系统的技术发展趋势: (1)控制系统的智能化 变结构控制、模糊控制、神经网络、自适应控制、专 家系统、遗传算法等非线性智能控制技术,都将独立或 相互结合应用于电动汽车电机控制系统。这些技术或 者不要求系统精确建模,或者善于处理非线性问题。它

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万方数据

电动汽车交流电传动系统设计
作者: 作者单位: 刊名: 英文刊名: 年,卷(期): 被引用次数: 伍理勋, WULi-xun 中国南车集团,株洲电力机车研究所,湖南,株洲,412001 变流技术与电力牵引 CONVERTER TECHNOLOGY & ELECTRIC TRACTION 2007,""(6) 0次

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电动车交流充电桩设计[论文]

电动车交流充电桩设计 摘要:简要介绍电动汽车交流电桩的技术研究,研发一种新型 的交流充电桩。提出完整的设计技术方案,并提出交流充电桩的主 要技术标准。该系统...

电动汽车电机驱动系统及其控制技术的研究

电动汽车电机驱动系统及其控制技术的研究_能源/化工_...电池输出的直流电进行变流处理,将其逆变 为交流电...功率密度大,体积小,转矩、惯量比大,传动系统动态...

电动汽车交直流充电桩的主要区别

3.系统设计区别 交流充电系统结构设计图 交流充电桩利用国家电网专用标准充电接口为具有车载充电机的电动汽车提供交流电 能,提供友好的人机操作界面,具有相应的控制、...

基于ARM的电动汽车交流充电桩的设计与实现

基于ARM的电动汽车交流充电桩的设计与实现 - 龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn 基于 ARM 的电动汽车交流充电桩的设计与 实现 作者:邓文强 来源:《现代职业...

电动汽车交流充电桩介绍_图文

充电指示灯, 当桩体处于通电运行状态时运行灯亮, 充电桩停电状态时运行灯灭。...电动汽车交流充电桩设计 208人阅读 3页 1下载券 电动汽车交流充电桩系统......

电动汽车单相交流充电桩使用说明书

电动汽车单相交流充电桩使用说明书 - 许继集团?许继电源有限公司 XU JI POWER CO.,LTD. ZCJ31-32A-220V-V20 系列单相 交流充电桩 用说明书 许继电...

电动汽车交流充放电设施电气接口规范_final

电动汽车充放电站通用技术要求 Q/GDW XXX-XXXX 电动汽车充放电站 布置设计导则...放电设施与供电系统的接口规范、电动汽车交流充放电设施与电 动汽车的接口规范以...

电动汽车电机控制器原理

就是控制主牵引电源与电机之间能量传输的装置、是由...来的直流电电能,逆变成三相交流电给汽车电机提供电源...4、最高工作转速:相应于电动汽车最高设计车速的电机...

矿用卡车电传动系统漫谈_图文

电动轮矿卡及电传动系统介绍 矿用自卸车是目前大型...交流电: AC,英文 Alternating Current,交流电也称“...因为技术水平的限制,当时设计和制 造用于大功率、 ...

电动汽车充电桩原理

区别: 直流充电桩:直流电动汽车充电站,俗称就是“快充” ,它是固定安装在电 动汽车外, 与交流电网连接, 可以为非车载电动汽车动力电池提供直流电源的供 电装置...