第四章 電驅動系統(tǒng)

第四章電機驅動系統(tǒng)北京理工大學林程教授車輛電動技術4.1電機驅動系統(tǒng)電機驅動系統(tǒng)是電動汽車的心臟，它的任務是在駕駛員的控制下，高效率地將蓄電池的能量轉化為車輪的動能，或者將車輪上的動能反饋到蓄電池中。電氣系統(tǒng)由電機、功率轉換器和電子控制器等三個子系統(tǒng)組成機械系統(tǒng)主要包括機械傳動裝置（是可選的）和車輪電子控制器分為三個功能單元：傳感器、中間連接電路與處理器電動汽車的電機驅動系統(tǒng)蓄電池4.1電動汽車的特性要求駕駛員對電動汽車的駕駛性能要求由包括加速性能、最大車速、爬坡能力、剎車性能以及續(xù)駛里程等性能在內的駕駛模式決定的車輛的性能約束車型、車重和載重等等車載能源系統(tǒng)的性能與蓄電池、燃料電池、電容器、飛輪及各種混合型能源有關電動車電機的獨特性電動汽車驅動電機需要有4~5倍的過載以滿足短時加速行駛與最大爬坡度的要求；而工業(yè)驅動電機只要求有2倍的過載就可以了。電動汽車驅動電機的最高轉速要求達到在公路上巡航時基速的4~5倍；而工業(yè)驅動電機只要求達到恒功率時基速的兩倍。電動汽車驅動電機應根據(jù)車型與駕駛員的駕駛習慣進行設計；而工業(yè)驅動電機通常只根據(jù)典型的工作模式進行設計即可。電動汽車驅動電機要求有高的功率密度和好的效率圖（在較寬的轉速和轉矩范圍內都有較高的效率），從而能夠降低車重，延長續(xù)駛里程；而工業(yè)驅動電機通常對功率密度、效率及成本進行綜合考慮，在額定工作點附近對效率進行優(yōu)化。為使多電機協(xié)調運行，要求電動汽車驅動電機可控性高、穩(wěn)態(tài)精度高、動態(tài)性能好；而工業(yè)驅動電機只有某一種特定的性能要求。電動汽車驅動電機往往被裝在機動車上，空間小，工作在高溫、壞天氣及頻繁振動等的惡劣的工作條件下；而工業(yè)驅動電機通常在某個固定的位置工作。注意1：單電機或多電機結構單電機雙電機成本較低較高體積笨重分散重量集中分散效率較低較高差速方式機械式電子式單電機或多電機結構注意2：固定速比與可變速比變速傳動固定速比可變速比電機額定值較高較低逆變器額定值較高較低成本較低較高體積較小較大重量較低較高效率較高較低可靠性較高較低注意3：有齒輪和無齒輪傳動注意4：系統(tǒng)電壓等級系統(tǒng)電壓——所選的電動汽車系統(tǒng)電壓等級將大大影響驅動電機系統(tǒng)的設計。采用合理的高電壓電機可減小逆變器的成本和體積。如果所需電壓過高，則需要串聯(lián)許多電池，這會引起車內及行李艙空間的減小，車輛的重量及成本的增加，以及車輛性能的下降。由于不同的車型采用不同的系統(tǒng)電壓等級，因而電動汽車驅動電機的設計需適合于不同的電動汽車。系統(tǒng)電壓受蓄電池特性、整車絕緣要求、高壓安全的限制，電池重量約占整車重量的10～30%，一般電機的功率越大，所采用的電壓等級越高。通用公司的EV1所用的102kW的電機采用312V的電壓，而RevaEV13kW的電機采用48V的電壓。注意5：電力驅動系統(tǒng)整合電機與轉換器，控制器，變速裝置、能源等的整合是最為重要的。電動汽車驅動電機的設計者應充分了解這些部件的特性，然后在給定的條件下設計電機。這與工業(yè)驅動電機的設計是不同的，工業(yè)驅動電機通常是在標準電源下工作的標準電機。電動汽車驅動電機分類陰影的電機類型表示已經被近代電動汽車采用電機設計方法基本上有兩種主要的方法：電路法與電磁場法。電路法基于等效電路分析，而電磁場法依賴于電磁場分析。電磁場法的優(yōu)點在于結果較精確，能較好的處理復雜的機械外形及非線性材料，并能較好的確定臨界區(qū)域?，F(xiàn)在有限元方法(FEM)被認為是用作電動汽車電磁場分析的強有力的工具之一。設計電機時需要考慮的基本因素磁載荷——通過電機氣隙的磁通密度的基本分量的峰值。電載荷——電機單位周長上總電流的均方根或單位周長上的安匝數(shù)，單位體積和單位重量的功率和轉矩，單位磁路的磁通密度，轉速、轉矩和功率，損失和效率，以及熱回路設計和冷卻等。關鍵之處：對鋼、磁和銅的較好利用，更好的電磁耦合、電機的幾何形狀與布局，更好的熱設計和冷卻，了解電機性能的限制，了解電機的幾何形狀、尺寸、參數(shù)和性能的關系，只有這樣，才能設計出具有較高的單位重量功率和單位重量轉矩以及較好性能的電機。直流驅動電機技術直流電機，由于勵磁繞組的磁場與電樞繞組的磁場是垂直分布的，因而其控制原理非常簡單。通過用永磁材料代替直流電機的勵磁繞組，有效地利用了徑向空間，從而可使電機的定子直徑大大減小。由于永磁材料的磁導率較小，因而電樞反應減小，互感增加。但有換向器及電刷的維護問題。技術的進步把無換向器直流電機的發(fā)展推到了一個新的時代，它的高效率、高功率密度、低運行成本、更可靠及免維護等性能優(yōu)于傳統(tǒng)的直流電機。直流驅動電機原理?磁極靜止，電樞旋轉。f=IBla，這個力形成了電磁轉矩；?根據(jù)左手定則，線圈在這個轉矩作用下將按逆時針方向旋轉。?當載流導體轉過180度后，借助電刷-換向片改變導體中電流方向。感應電機技術感應電機是置轉子于轉動磁場中，因渦電流的作用，使轉子轉動的裝置。由于低成本、高可靠性及免維護等特性，因而在電動汽車驅動電機領域里，它是應用很廣的一種無換向器電機。傳統(tǒng)的變頻變壓（VVVF）控制技術等，不能使感應電機滿足所要求的驅動性能。原因在于它的動態(tài)模型的非線性。采用矢量控制(FOC)法控制感應電機可以克服由于其非線性帶來的控制難度，矢量控制也稱為解耦控制。采用矢量控制的電動汽車感應電機在輕載及有限的恒功率工作區(qū)域內運行時效率較低。一種適用于電動汽車感應電機的即時效率優(yōu)化控制方案，能把能耗降低大約10%，并能增加大約4%的再生能量，從而使電動汽車的續(xù)駛里程增加14%以上。還開發(fā)了一種用于電動汽車感應電機的電極變換方案，該方案能有效的把恒功率的轉速范圍提高到基速的四倍以上。電機結構永磁同步電機技術用永磁材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)同步電機的勵磁繞組，永磁同步電機就能去掉傳統(tǒng)的電刷、滑環(huán)以及勵磁繞組的銅損。永磁同步電機由于采用正弦交流電及無刷結構，也被稱為永磁無刷交流電機或正弦永磁無刷電機。由于這種電機實質上是同步電機，它們不經電子轉換就可以通過正弦交流電或脈寬調制方式使其運行。當永磁體嵌在轉子表面時，由于永磁材料的磁導率與空氣相似，因而這種電機的運行特性與非凸極同步電機一樣。如果把永磁體埋入轉子的磁路中，凸極就會產生附加的磁阻轉矩，從而使電機的恒功率區(qū)域有更寬的轉速范圍。利用轉子的凸極，而去掉勵磁繞組或永磁體，就可得到同步磁阻電機，其結構簡單，成本低廉，但輸出功率相對較低。和感應電機一樣，永磁同步電機通常也采用矢量控制方法以滿足電動汽車電機驅動的高性能要求。由于其本身的高能量密度與高效率，它在電動汽車的應用領域與感應電機相比有較大的競爭優(yōu)勢。最近，有人提出永磁同步電機的自適應控制法，這種控制方法能使電機在整個工作區(qū)獲得最優(yōu)的性能。電機結構永磁無刷直流電機技術通過改變永磁直流電機定子和轉子的位置，就可得到永磁無刷直流電機。需注意的是，名稱中的“直流”這個術語可能會引起誤解，因為它并不是指直流電機。實際上，這種電機采用交流方波供電，因此也稱為永磁無刷方波電機。這種電機最明顯的好處是去掉了電刷、能產生較大的轉矩，因為它的方波電流和磁場是垂直的。而且，這種無刷結構使電樞繞組具有更代表性的區(qū)域。由于通過整個結構的熱傳導有了改善，電負荷的增加可產生更高的功率密度。與永磁同步電機不同的是，這種永磁無刷直流電機通常裝有轉軸位置傳感器。一種用于電動汽車的解耦永磁無刷直流電機，它具有很高的功率密度，轉矩不間斷，且有較好的動態(tài)性能。它也采用先進的感應角控制方法來有效地增大它的恒功率轉速范圍。電機結構開關磁阻電機技術開關磁阻電機應用于電動汽車上具有很大的潛力。它基本上是由單塊可變磁阻步進電機直接衍生而來。開關磁阻電機具有結構簡單，制造成本低廉，轉矩/轉速特性好等優(yōu)點，適合于電動汽車驅動。雖然它的結構簡單，但決不意味著其設計和控制也簡單。由于其磁極端部的嚴重磁飽和以及磁極和溝槽的邊緣效應，使其設計和控制非常困難和精細。而且，經常引起噪聲問題。一種開關磁阻電機的優(yōu)化設計方法，該方法考慮到極弧、高度及最大磁通密度的限制，用有限元分析方法使整個電機的損失達到最小。而且，采用模糊滑模控制法可控制電機的非線性并使噪音達到最小。工作原理當A相繞組電流控制開關s1、s2閉合時，A相勵磁，所產生的磁場力圖使轉子旋轉到轉于極軸線aa’與定子極軸線AA’的重合位置，從而產生磁阻性質的電磁轉矩。順序給A—B—C—D相繞組通電(B、C、D各相繞組在圖中未畫出)，則轉子便按逆時針方向連續(xù)轉動起來；反之，依次給B—A—D—C扣繞糾通電，則轉子會沿順時針方向轉動。永磁混合電機技術一個新的研究方向是開發(fā)用于電動汽車的永磁混合電機。在原理上，有很多永磁混合電機，人們對其中的三種進行了研究，這三種是永磁和磁阻混合、永磁和磁滯混合以及永磁和勵磁繞組混合等。第一種，把永磁體嵌入轉子的磁回路中，永磁同步電機同時產生永磁轉矩和同步磁阻轉矩。另外，如果把永磁體和開關磁阻結構結合起來，就產生了另一種永磁和磁阻混合的電機，這就是所謂的雙凸極永磁電機(DSPM)。雙凸極永磁電機現(xiàn)在的發(fā)展表明它具有高效、高功率密度和寬轉速范圍等優(yōu)點。第二種，綜合利用永磁轉矩和磁滯轉矩的新型永磁混合電機，它把永磁體嵌入磁滯環(huán)內表面的槽中，這種磁滯混合電機具有啟動轉矩高，運行平穩(wěn)且安靜等獨特優(yōu)點，適用于電動汽車。第三種，把永磁體置于轉子內，直流勵磁繞組放在內定子上，通過控制勵磁電流的大小和方向，很容易調節(jié)電機的氣隙磁通，這樣，就容易得到滿足電動汽車驅動要求的轉矩/轉速特性。各種驅動電機性能比較直流電機感應電機永磁無刷電機開關磁阻電機永磁混合電機功率密度2.53.553.54效率2.53.553.55可控制性54434可靠性35454成熟性55443成本45343綜合2226252323

從表中可以看出感應電機相對而言是最容易接受的。如果永磁無刷電機（包括直流和交流）的成本下降，其技術更加成熟時，這種電機將是最受歡迎的。傳統(tǒng)的直流電機似乎在失去其競爭力，但開關磁阻電機和永磁混合電機在電動汽車上的應用有大的發(fā)展?jié)摿Αｋ妱悠囯姍C的應用電動汽車型電動汽車電機菲亞特PandaElettra串勵直流電機馬自達Bongo并勵直流電機ConceptorG-Van他勵直流電機鈴木高級三輪車永磁直流電機菲亞特SeicentoElettra感應電機福特Th!nkCity感應電機通用EV1感應電機本田EVPlus永磁同步式電機尼桑Altra永磁同步式電機豐田RAV4永磁同步式電機ChlorideLucas開關磁阻電機電動汽車用功率電子器件在過去幾十年里，功率半導體器件技術有了很大的發(fā)展。這些功率器件在功率額定值以及性能方面有了革命性的進展。在現(xiàn)有的功率器件中，功率二極管作為自由開關使用，而其它功率器件，如晶閘管、GTO、BJT、MOSFET、IGBT、SIT、SITH、MCT等，都是外部可控的，對高性能的功率器件的研究仍在進行。對電力驅動的功率器件要求額定值——額定電壓根據(jù)蓄電池的名義電壓、充電時的最大電壓和再生制動時的最大電壓確定，而電流的額定值取決于電機額定功率的峰值以及所并聯(lián)的功率器件的個數(shù)，當這些器件并聯(lián)時，其導通狀態(tài)與開關特性必須匹配好；轉換效率——開關頻率較高可減小過濾器的體積并有利于滿足電磁干擾限制的要求。當開關頻率高于20Hz時，可避免出現(xiàn)噪聲；功率損失——導通時的壓降或損失應降到最小，同時開關損失應盡可能小。由于高的開關頻率會增加開關損失，開關頻率在10Hz時可使能量密度、噪聲及電磁干擾同時達到最優(yōu)。漏電電流應限制在1mA以內，以使斷開狀態(tài)的損失最??；基極/門極的可驅動性——器件應考慮到簡單和安全的基極或門極驅動。相應的驅動信號或為觸發(fā)電壓/電流或為線性電壓/電流。電壓驅動模式能耗非常低，通常被優(yōu)先采用；動態(tài)特性——器件的動態(tài)特性應足夠好，以允許有較高的dv/dt和較高的di/dt能力，并容易進行并聯(lián)。內部的續(xù)流二極管應該和外部的主器件具有相似的動態(tài)特性；堅固——功率器件應該有足夠的抗過載能力以承受過電壓時的巨大能量，并能在過流時通過快速熔斷半導體保險絲加以保護，它應不用和盡量少用緩沖電路。由于電動汽車頻繁的加速、減速，功率器件會引起頻繁的熱循環(huán)沖擊，它應在這種熱壓條件下可靠工作；成熟性與成本——由于功率器件的成本占整個電動汽車驅動系統(tǒng)的大部分，所以功率器件應該盡量經濟。最近的一些功率器件，比如高能的MCT等，還不能成熟地應用于電動汽車。各種電動汽車功率器件的比較GTOBJTMOSFETIGBTMCT額定值54253開關頻率12444功率損失23444門極可驅動性23555動態(tài)特性23555抗過載能力33555成熟性55442低廉性44442總和2427333630電動汽車用功率轉換器功率轉換器技術一般隨著功率器件的發(fā)展而發(fā)展，目的是要達到高功率密度、高效、高可控性和高可靠性。功率轉換器可以是同頻率的AC-DC和AC-AC轉換，不同頻率的AC-AC變換，DC-DC或DC-AC變換。DC-DC轉換器通常稱為直流斬波器，而DC-AC變換器通常稱為逆變器，它們分別用于電動汽車驅動系統(tǒng)的直流和交流電機。直流斬波器直流斬波器是在二十世紀六十年代出現(xiàn)的，它用作非自然關斷的半導體閘流管，只限于在低頻開關下運行。由于快速開關功率器件的出現(xiàn)，這種斬波器現(xiàn)在能在幾十甚至幾百千赫茲下工作。用于電動汽車驅動時，兩象限的直流斬波器是最理想的，因為在電機驅動模式下，它能把蓄電池的直流電壓變換為可變的直流電壓，并能在再生制動時進行能量的反向轉換。四象限的直流斬波器用于直流電機的可逆與再生速度控制。四象限直流斬波器如圖所示。逆變器逆變器通常分為電壓輸入式和電流輸入式。由于需要大量的電感元件來模擬電流源，所以電流供給式逆變器很少用于電動汽車驅動。由于電壓輸入式逆變器很簡單且能進行雙向能量轉換，所以電動汽車上幾乎只使用這種逆變器。典型的三相全橋電壓輸入式逆變器如圖所示。根據(jù)不同的需要，它的輸出波形可以為方波、六步式或是脈寬調制波形。比如，可以為永磁無刷直流電機輸出方波，可為感應電機輸出六步式波形或脈寬調制波形。。電動汽車逆變器軟開關技術功率逆變器可用軟開關來代替強制式開關。軟開關的關鍵之處在于運用諧振回路來形成電流或電壓波形，使功率開關器件處于零電壓或零電流狀態(tài)。一般來說，軟開關逆變器具有以下優(yōu)點：由于處于零電壓或零電流狀態(tài)，功率器件的開關損失為零，因而效率也高。由于熱消耗低，且無需緩沖，轉換器的體積和重量都減少了，因而功率密度高。由于采用軟開關使開關的壓力最小，器件的可靠性得到了改善。由于電壓諧振脈沖較小，從而使電磁干擾和器件的絕緣性不再成為主要問題。由于開關頻率很高，所以噪聲很小。軟開關技術的主要缺點在于諧振回路增加了成本及復雜性。雖然軟開關的DC-DC轉變器在開關模式的功率器件中得到了廣泛的應用，但它在電動汽車驅動系統(tǒng)中的應用發(fā)展較慢。由于高效率和高功率密度的功率轉換器對電動汽車驅動是非常理想的，所以適用于電動汽車的軟開關功率轉換器仍在進一步的發(fā)展。硬開關軟開關開關損失嚴重幾乎為零整體效率一般可能稍高熱排放要求一般可能稍低硬件數(shù)一般多總功率密度一般可能稍高電磁干擾問題嚴重低電壓波動情況嚴重低調節(jié)方案多種有限成熟性成熟發(fā)展中成本一般較高軟開關式逆變器雖然在開關模式的電力系統(tǒng)中應用了許多軟開關式的DC-DC轉換器，但這些轉換器不能直接用于驅動電動汽車的直流電機中，因為除了要承受過大電壓和電流外，這些轉換器也不能控制再生制動時的反向能量流。應該指出的是：對電動汽車而言，再生制動是非常重要的，因為它能有效的延長10%以上的續(xù)駛里程。人們把適用于交流電機（包括感應電機、永磁無刷電機和永磁混合電機）的軟開關式逆變器的發(fā)展作為一個新的研究方向。用于電動汽車驅動的軟開關逆變器的研發(fā)指標有許多，如效率高于95%，功率密度高于3.5W/cm3，開關頻率高于10~20kHz，dv/dt低于1000V/

s，零電磁干擾，車輛行駛期間無故障。最近，三角結構的輔助諧振緩沖逆變器已達到了以上要求，并證明其輸出功率能達到100kW。微電子器件現(xiàn)代微電子器件可大體分為微處理器，微控制器，數(shù)字信號處理器(DSPs)和傳輸機等。微處理器技術被認為是微電子技術發(fā)展的里程碑，如8086,80186,80286,80386,80486,奔騰，奔騰II和奔騰III等。微處理器是微機的CPU，可用來編譯指令，控制運行行為并執(zhí)行所有的算法和邏輯運算。微控制器如8096,80196和80960等，包括所有的資源如CPU,ROM或EPROM,RAM,DMA，計時器，中斷源、A/D和D/A轉換器及輸入/輸出接口等，可作單機、單片控制器使用。這樣，基于電動汽車驅動系統(tǒng)的微處理器具有硬件最少、軟件集中等優(yōu)點。數(shù)字信號處理器(DSPs)，如TMS320C30,TMS320C40和i860具有快速計算浮點數(shù)據(jù)的能力，它可以滿足高性能的電力驅動電機的復雜控制算法要求。傳輸機，如T400,T800和T9000，是為并行處理特別設計的。通過用多片傳輸機，任何復雜的控制算法都可以實現(xiàn)。通過把微電子器件和功率器件集成到同一芯片上（就像大腦和肌肉的集成），便成了功率集成電路(PICs)，其目的是進一步減小體積，降低成本并改善其可靠性。PIC可以包含功率模塊、控制、保護、信息傳遞和制冷等。PIC合成存在的主要問題是高電壓和低電壓器件的絕緣以及冷卻問題。控制策略傳統(tǒng)的線性控制，如PID，不能滿足高性能電機驅動的苛刻要求。近幾年，出現(xiàn)了許多先進的控制策略。適用于電機驅動的控制策略的發(fā)展現(xiàn)狀，包括自適應控制，變結構控制，模糊控制和神經網(wǎng)絡控制等。自適應控制包括自調節(jié)控制(STC)和模型參考自適應控制(MRAC)。變結構控制(VSC)

系統(tǒng)提供不敏感的參數(shù)特性，規(guī)定誤差動態(tài)并簡化所執(zhí)行的操作。根據(jù)一系列的開關控制原理，系統(tǒng)必須按預先設定的軌道在相平面內運行，而不管系統(tǒng)參數(shù)如何變化。模糊邏輯和神經網(wǎng)絡等新技術最近也被引入電機控制領域。模糊控制實質上是一種語言過程，它基于人類行為所使用的先前經驗和試探法則。利用神經網(wǎng)絡控制(NNC)，控制器有可能解釋系統(tǒng)的動態(tài)行為，然后自學并相應的進行自我調整。此外，這種先進的控制策略還能結合其它控制策略形成新的控制模式，比如自適應模糊控制，模糊NNC和模糊VSC等。4.2直流電機直流電機分為勵磁繞組式和永磁式直流電機。前者有勵磁繞組且磁場可由直流電流控制，而后者沒有勵磁繞組且永磁體的磁場是不可控制的。由于技術成熟，控制簡單，它們在各種電動汽車驅動系統(tǒng)中有廣泛的應用。直流電動機工作原理與結構系統(tǒng)的基本結構直流電機廣泛用于電機驅動系統(tǒng)。最早的直流電機控制器由一串電阻器與電機串聯(lián)或并聯(lián)形成。電機的電壓等于電池電壓減去電阻器上的電壓降，并通過運用接觸器短路一部分電阻而使電壓升高。直流電機的電阻控制的基本結構如圖所示，圖中，A,B,C和D是外部控制接觸器。這種系統(tǒng)只適用于在額定轉速運行和啟動時只要求平穩(wěn)加速的電動汽車驅動系統(tǒng)。雖然這種電阻控制方式簡單且價廉，但由于大量的能量以熱的形式損失了，因而其效率很低。另外，它不能進行平滑控制，因而運行不平穩(wěn)。隨著功率電子器件的迅速發(fā)展，電阻控制方式已被淘汰。直流斬波控制方式由于體積小，重量輕，效率高，可控制性好，而且根據(jù)所選的加速度，能平穩(wěn)加速到理想的速度，所以該控制方式在電力驅動領域得到了廣泛應用。右圖顯示出了用于直流電機速度控制的基本的一象限直流斬波器。直流電機勵磁方式普通勵磁繞組直流電機分為他勵、串勵、并勵和復勵等。沒有外部控制時，它們在額定電壓時的轉矩/轉速特性如圖所示。他勵直流電機，勵磁電壓和電樞電壓可以互相獨立控制，其轉矩/轉速特性是線性相關的，轉速隨轉矩的增大而減小，轉速調節(jié)是通過調節(jié)電樞回路的電阻來實現(xiàn)的。串勵直流電機，勵磁電流與電樞繞組的電流相等，轉矩增加伴隨著電樞電流的增大及磁通的增加，結果，轉速下降使電源電壓與感應電壓保持平衡，轉矩與轉速成反比關系。低速時能提供高轉矩，廣泛用于傳統(tǒng)電動汽車驅動系統(tǒng)。大大降低車輛加速與爬坡時的電池消耗。并勵直流電機，勵磁繞組與電樞繞組連接在同一電源上，其特性與他勵直流電機相似。復勵直流電機，串勵繞組磁動勢的方向與并勵繞組的相同，其特性界于串勵直流電機與并勵直流電機之間，取決于串勵與并勵磁場的相對強弱。永磁與勵磁直流電機用永磁體取代勵磁繞組和磁極結構，勵磁繞組直流電機就變成了永磁直流電機。與勵磁繞組直流電機相比，永磁直流電機由于采用永磁體，大大節(jié)省了空間并且沒有磁場損失，所以它的功率密度和效率都較高。永磁體的磁導率和空氣的差不多，所以電樞反應減小，電磁交換得以改善。不過，由于永磁直流電機的勵磁不能控制，所以我們不能從永磁直流電機得到與勵磁繞組直流電機相似的工作特性。由于換向器和電刷的存在，勵磁繞組直流電機和永磁直流電機存在同樣的問題。換向器引起轉矩波動并限制了電機的轉速，而電刷帶來摩擦與射頻干擾(RFI)。而且，由于磨損和斷裂，換向器和電刷需定期維護。這些缺點使其可靠性低且不適合于免維護工作，從而限制了它們在電動汽車驅動領域的廣泛應用。直流電機的控制直流電機的優(yōu)勢在于其成熟性和簡單。由于氣隙磁通

和電樞電流Ia能分別控制，因而電機轉速ωm和轉矩T也能分別控制，所以直流電機的控制很簡單。無論是勵磁繞組直流電機還是永磁直流電機，它們都滿足以下基本方程：式中E是反電動勢，Va是電樞電壓，Ra是電樞電阻，Ke稱為反電動勢常數(shù)或轉矩常數(shù)，對于勵磁繞組直流電機來說，

與可獨立控制的磁場電流If線性相關。而對于他勵、串勵、并勵或復勵直流電機來說，則If與Ia或Va或與Ia、Va都有關。但是，永磁直流電機的

基本上是不可控制的。直流電機的設計包括下列主要尺寸：電樞的外徑與鐵芯長、電樞外徑與鐵芯長之比的優(yōu)化、氣隙長度、磁極對數(shù)、電樞槽的個數(shù)、電樞齒寬與槽深、線圈繞組匝數(shù)、槽滿率、換向器的小節(jié)數(shù)、換向裝置、單位磁路的磁通密度、勵磁電流、單位熱回路中的熱阻抗、轉速、轉矩和效率、單位重量轉矩、銅和鐵芯重量等。DC-DC轉換器當DC-DC轉換器以斬波方式工作時，通常稱為直流斬波器，廣泛用于直流電機驅動的電壓控制。電動機工作模式，能量從能源流向負載；而第二象限型直流斬波器適用于再生制動，能量從負載流向能源；再生制動對電動汽車是非常重要的，能使其續(xù)駛里程延長25%以上，在電動汽車驅動中是首選的；四象限直流斬波器不用機械接觸器實現(xiàn)反向工作，而是用電子控制來實現(xiàn)正向的電動機工作模式和逆向的再生制動工作模式。直流斬波器的三種調壓方式直流斬波器的輸出電壓有三種調節(jié)方式，即脈寬調制(PWM)方式、頻率調制方式和限流控制方式。第一種方法，斬波器的頻率保持不變，只改變脈沖的寬度；第二種方法，脈沖寬度保持不變，斬波頻率是可變的。第三種方法，脈沖寬度和頻率都是可變的，使負載電流控制在某個特定的最大值和最小值之間。傳統(tǒng)的電動汽車直流電機驅動通常采用PWM控制或二象限直流斬波控制方式。相應的控制依賴于占空比

的變化。式中，Vs是供給的直流電壓。當

>(E/Vs)時，工作于發(fā)電機模式(Ia>0)；當

<(E/Vs)時，工作于再生制動模式(Ia<0)；當

=(E/Vs)時，表示處于空載狀態(tài)。由于電流沒有間斷，所以不會出現(xiàn)不連續(xù)的導通模式。軟開關DC-DC轉換器軟開關DC-DC轉換器很少用于直流電機驅動的電壓控制，主要原因在于它的發(fā)展比開關模式的功率器件的發(fā)展緩慢。而且，可用的軟開關DC-DC轉換器不能控制再生制動的能量回流。直到現(xiàn)在，專門開發(fā)出了適用于電動汽車電機驅動的二象限軟開關DC-DC轉換器，即二象限零電壓變換(2Q-ZVT)轉換器，它具有最小的電壓與電流開關應力，且能高效地工作于電動機和再生制動工作模式。圖顯示了2Q-ZVT轉換器控制的直流電動機驅動的結構簡圖。在電動機工作模式，轉換器的輸出電壓V0由電壓轉化比μm=V0/Vi控制，該轉化比與新的可控占空比的關系如下：式中，δm定義為S4,S5和S6的標準總周期，f是標準開關頻率，λm是標準負載電流。當f選擇為0.04時，μm對于λm，μm對于δm的工作特性如圖4.17所示。同樣，再生制動時的電壓轉化比定義如下：式中，δr定義為S4,S5和S6的標準總周期，λr是再生制動時的標準負載電流。電機兩種模式下的等效電路和工作波形電機牽引模式電機再生制動模式模式電機不同模式的工作特性曲線電機牽引模式再生制動模式轉速控制直流電機的轉速控制可以通過電樞控制和勵磁控制。當直流電機電樞電壓減小時，電樞電流和電機轉矩就會降低，由此引起電機轉速降低。反之，當電樞電壓增加時，電機轉矩就會增加，由此會引起電機轉速增加。為使電動汽車的直流電機有較寬的轉速控制范圍，電樞控制必須和勵磁控制相結合。當電機轉速在零與基速之間時，勵磁電流保持在額定值，采用電樞控制。當電機轉速超過基速時，電樞電壓保持在額定值，采用勵磁控制。采用電樞與勵磁控制相結合相應的所允許的最大轉矩與最大功率如圖所示。他勵直流電機在電動機和再生制動兩種工作模式時的轉矩/轉速特性曲線如圖所示。4.3感應電機無換向器電機驅動比傳統(tǒng)的有換向器直流電機驅動優(yōu)點多。目前，感應電機驅動在各種無換向器電機驅動中技術最成熟。感應電機有兩種類型，繞線式轉子電機和鼠籠式電機。由于繞線式感應電機成本高、需要維護、缺乏堅固性，因而沒有鼠籠感應電機應用廣泛，特別是在電動汽車的電力驅動中。鼠籠感應電機簡稱為感應電機。感應電機驅動除了具有無換向器電機驅動的共同優(yōu)點外，還具有成本低，堅固等優(yōu)點。這些優(yōu)點超過了其控制復雜的缺點，推動感應電機在電動汽車驅動中的廣泛應用。系統(tǒng)結構在電動汽車驅動中，感應電機驅動分為單電機型和多電機型。圖示單電機驅動的結構，由三相鼠籠型感應電機、三相電壓型PWM逆變器、電子控制器、減速器和差速器組成。多電機系統(tǒng)由多個電機、多個逆變器、集中或分布式控制器和可變速比的變速器組成。三相感應電機是專門設計的、并與驅動橋集成為一體；三相PWM逆變器具有再生制動的功能，并有輕微的諧波失真；電子控制器能完成電機的各種驅動控制；采用固定速比的減速器提供爬坡時的低速大轉矩。感應電機電機需要專門設計，轉子鐵芯和定子鐵芯由薄硅鋼片疊加而成，以減少鐵損，鼠籠采用銅條減少線圈損失，定子鐵芯采用C級絕緣，可直接用低粘度的油來冷卻，采用鑄鋁機座來減小電機總重量。盡管電機的電壓等級受電動汽車動力電池的數(shù)量、重量和類型的限制，但仍需合理采用高電壓和低電流的電機設計，以減少功率逆變器的成本和體積。盡管軸承摩擦、通風損失以及驅動橋配合公差影響電機的最大轉速，但仍需采用高速運行使電機的尺寸和重量最小化，弱磁控制要求雜散電抗小。電動汽車運行時的電機工作特性，爬坡時要求低速高轉矩，巡航要求高速低轉矩，車輛超車時具有瞬時超負載能力。為了優(yōu)化電機的幾何形狀和參數(shù),通常使用CAD技術，一般用兩維有限元方法(FEM)實現(xiàn)靜態(tài)和動態(tài)電磁場分析?；诟袘姍C熱力場分析的三維有限元方法(FEM)現(xiàn)在特別受歡迎。由于電機起動時的表面效應會引起損失密度分布隨時間變化，因此會在轉子條和端環(huán)上產生嚴重的瞬時熱應力。圖是基于熱力場FEM分析瞬時溫度分布。感應電機的設計主要考慮定子鐵芯的內外徑、鐵芯長度、氣隙長度、磁級數(shù)、定子槽數(shù)、轉子槽數(shù)、定子齒寬和槽深、轉子齒寬和槽深、每相線圈匝數(shù)、槽滿率,單位磁路的磁通密度、感應電流,單位熱回路的熱阻抗、轉速、轉矩和效率,單位重量轉矩、銅鐵芯和磁鐵芯的重量等。逆變器電動汽車驅動中，感應電機使用的幾乎都是專用的三相電壓型PWM逆變器，逆變器的設計很大程度上依賴于功率器件的技術。目前,基于逆變器的IGBT被許多現(xiàn)代電動汽車采用。逆變器的設計通常取決于功率器件的選擇和PWM的變換方案。選擇功率器件的標準是：由于變換過程中會產生浪涌電壓，所以要求其額定電壓至少是蓄電池額定電壓的兩倍；要求額定電流足夠大，不需要再并聯(lián)功率器件；為抑制諧波和噪音，要求開關速度足夠高。功率器件模塊是二合一型,即兩個元件串聯(lián),并且每個元件上跨接一個反并聯(lián)二極管,使布線和干擾電阻最小。另一方面，選擇PWM變換方案時，要求其輸出基波的幅值和頻率能平穩(wěn)變化；輸出諧波失真最小；開關算法要求用盡可能少的硬件和軟件實時執(zhí)行；在蓄電池電壓波動大的情況下，如-35%～+25%，控制器不能失去控制。有許多可用的PWM方案，如正弦波PWM、均衡PWM、優(yōu)化PWM、三角波PWM、隨機PWM、

等效面積PWM、滯環(huán)PWM和空間矢量PWM等。其中電流控制滯環(huán)PWM和空間矢量PWM在電動汽車感應電機驅動中得到了廣泛應用。電壓控制型等面積PWM方案是專門為以蓄電池為動力的電動汽車感應電機驅動設計的。改進的軟開關逆變器的拓撲結構自1986年直流電路的逆變器問世以來，人們就一直為感應驅動電機開發(fā)軟開關逆變器。接著，人們又提出了許多改進的軟開關逆變器的拓撲結構，如諧振直流電路、串聯(lián)諧振直流電路、并聯(lián)諧振直流電路、同步諧振直流電路、諧振變換、輔助諧振整流極和輔助諧振緩沖逆變器。其中，輔助諧振緩沖逆變器(ARS)是專門為電動汽車驅動開發(fā)的。通過采用輔助開