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科学瞎想系列之十三 电动汽车动力系统(1)

电动汽车是现在炙手可热的新鲜玩意之一,它与通常的燃油汽车最大不同在于动力系统,这个话题一次说完会篇幅很长,许多人没那个耐心看完,我们就分几期说说电动汽车的动力系统。 电动汽车动力系统包括驱动电机和控制器两大部分,这两大部分是密不可分的,必须统筹考虑设计才能实现最佳的性价比。 先说说电动汽车对动力系统的要求。除了可靠性高、效率高、功率密度高、耐冲击、振动、高温、低温、跋山涉水等通用要求之外,在动力要求方面最主要的是转速范围很大。高速时要有足够大的功率,即马力强劲跑得快; 低速时要有足够大的扭矩,即启动、爬坡、超车要有劲。转化成专业术语就是额定功率足够大,调速范围足够宽,峰值转矩和功率足够大。如何才能满足上述动力要求呢? 对于控制器,其额定功率和最大功率主要由电力电子器件的耐压和额定电流、峰值电流决定。根据电池电压可选定器件电压等级,对小型低档的车辆,通常电池电压在144伏以下,功率较小,可采用MOS管多个并联搞定;对高档乘车、电动大巴车,通常电池电压超过144伏,功率较大,需采用IGBT。一旦主回路的器件选定,控制器的额定功率和峰值功率即可确定,唯一可以发挥的空间就是在软件上如何根据驱动电机的不同类型和参数,采用更加科学合理的控制策略和控制法,尽量用最小的电流代价来得到最大的转矩和功率。因此对控制器来讲,软件是其最核心技术!当然用同样的器件通过科学合理的布置和热设计搭建出一个稳定可靠、温升较低的硬件电路也是必不可少的核心技术! 针对驱动电机的不同类型(下一篇会详述),控制器可分为无刷直流电机控制器、交流电机(永磁同步电机或鼠笼异步电机)控制器和开关磁阻电机控制器。由于前后两种电机控制策略较为简单,且目前应用较少,加之篇幅所限,不做赘述,重点说说交流电机控制器。 根据矢量控制的坐标变换理论,控制器的输出电流可分解为直轴电流(Id)和交轴电流(Iq),分别代表电机中的励磁电流和转矩电流,可以通俗理解为分别代表着电机内的磁场大小和在该磁场下的导体内通的电流大小,根据中学物理知识可知,通电导体在磁场中受力正比于磁场和电流的乘积,因此Id与Iq的相乘即反映转矩大小,而这两个电流分量的平方和决定了控制器的总电流,控制器的发热大小和效率很大程度上就取决于这个总电流,为得到某一转矩,要么增大Id减小Iq,要么增大Iq减小Id,因此控制策略就是如何科学地分配Id和Iq,使得在一定转矩下(二者乘积一定下),总电流最小(二者平方和最小)。这就是控制器核心技术的核心! 当然说着容易做着难,实际的电机中磁场与Id并不成正比,一是由于磁饱和原因,二是对永磁电机,磁场是由磁钢励磁的,即使Id=0,也同样有磁场,正因如此,在永磁电机中,可以采用Id=0的控制策略,使得同样的转矩付出的总电流代价最小。但对异步电机就必须用一定的Id来励磁,才能产生转矩,这也是永磁电机的一大优势,即可以用比异步电机较小的电流得到同样的转矩。但这一优势只能在低速时较大,随着转速的升高,电机的反电势将增大,超过管子的耐压也会摧毁控制器,因此在高速时还得必须弱磁(加-Id)才能保证安全,由于磁钢的导磁性能很差,用很大的-Id代价才能把磁场减弱下来,这无形中增大了总电流的负担,因此在高速下,永磁电机又比异步电机存在天然的劣势。 说着说着就又多了,你们又不耐烦看了,我怎么就辣么多学问捏???肚子里全TM是墨水,一倒就多了,先到这儿吧,且听下回分解!

本文分享自微信公众号 - 龙行天下CSIEM(gh_a8911987218e)

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原始发表时间:2016-12-09

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