电动汽车的电驱动系统主要由驱动电机、功率变换器和控制器三大部分组成。驱动电机主要采用PMSM、开关磁阻电机、IM等交流电驱动系统。
永磁同步电机是一种高性能的电机具有体积小、重量轻、结构简单、效率高以及控制灵活的优点在电动汽车上得到了广泛的应用。但是由于永磁同步电机转子为永磁体,无法调节,必须通过调节定子电流,增加定子电流直轴去磁分量来削弱磁场。这样势必要提高定子电流,增加了系统的铜耗。同时永磁电机的磁钢价格较高,磁性能受温度振动等因素的影响‚有高温退磁等问题,且过载能力受控制器限制。
开关磁阻电机结构简单转子上没有绕组、磁钢或滑环,适合高速运行。开关磁阻电动机具有简单可靠,可在较宽转速和转矩范围内高效运行,控制灵活,可四象限运行,响应速度快和成本较低等优点。然而在实际应用中,开关磁阻电动机存在着转矩波动大、噪声大、需要位置检测器等缺点。
感应电机的调速控制技术比较成熟具有结构简单、体积小、质量小、成本低、运行可靠、免于维修、转矩脉动小、噪声低、转速极限高和不用位置传感器等优点。感应电机的不足之处是效率比永磁电机和开关磁阻电机低,特别是在轻载运行时效率更低。
对于以感应电动机为驱动电机的电动汽车来说,在20世纪90年代以前,主要以PWM方式实现U/f控制和转差频率控制,但因转速控制范围小,转矩特性不理想而不适合频繁起动、加减速的电动汽车。近年来,由感应电动机驱动的电动汽车几乎都采用矢量控制和直接转矩控制,转速信息的获取也从使用转速传感器发展向无转速传感器技术。
随着电机及驱动系统的发展,控制系统趋于智能化和数字化。控制技术从传统的PID控制,发展到滑模变结构控制、自适应控制、精确反馈线性化控制、反步法等非线性控制。近几年来,各种智能控制技术—模糊控制和神经网络控制等也已经应用于电驱动。
虽然国内外电动汽车广泛采用的标准感应电动机矢量控制的调速性能完全能够满足需求,但是其效率并不理想,更不是最优的。电动汽车行驶时,电机常工作在轻载状态,整个驱动系统的效率明显降低。
- 高转矩-惯量比和宽调速范围
- 在整个转矩/转速运行范围内的效率最优化
- 加减速性能好,转矩控制灵活且响应快,可适应路面变化及频繁的起动和刹车
- 应具备能量回馈功能
- 电机及电控装置结构坚固、体积小、重量轻、抗颠簸振动,有一定的过载能力,单位功率的系统设备成本尽可能的低
标准的矢量控制方法,在恒转矩调速范围内,保持电机的励磁电流恒定,然而在轻载时,系统运行在额定的磁通会引起过度的铁心损耗,电机效率降低,影响电驱动系统的综合效率,也就是说性能卓越的矢量控制变频驱动系统在效率方面并不是最优的。
优化控制策略主要有基于损耗模型的控制测策略(LMC-Loss Model Control)、搜索控制器和最小定子电流控制等。
不管是哪种感应电动机效率优化算法,其本质都是采用在轻载时降低电机磁通水平以减小铁心损耗的方法来实现效率的提升。磁通水平的降低不可避免的带来转矩输出能力的减弱,系统的动态响应速度就会明显低于标准矢量控制恒额定磁链运行的情况,出现动态速降大、加速缓慢等问题。以牺牲动态响应速度来换取效率的提高,对控制性能要求较高的电动汽车电驱动系统或交流伺服等系统来说是不允许的 … …