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混合動力客車永磁無刷直流電動機驅動系統研制

來源:北京永光高特微電機有限公司作者:李利網址:http://www.myanmarbdc.com瀏覽數:5229

摘要:永磁無刷直流電動機驅動系統是混合動力客車的關鍵單元技術之一,具有高功率密度、高效率的特點。研制電動機機殼內有螺旋冷卻水道和裝有3相繞組的電樞和包容式永磁轉子,控制器采用主控芯片及矢量變換的脈寬調制控制方法。

0引  言

   混合動力電動汽車在原有發動機基礎上,加入起動/發電機(簡稱ISG電機),在起動和低速運行時,發動機工作效率很低,此時由輔助動力源一電動機驅動,從而降低油耗,減少二氧化碳排放量;到某一規定速度后,由主動力源一發動機驅動,此時電機作發電機運行。發動機怠速時或汽車剎車時回收制動機械能,電機作為發電狀態向蓄電池充電;在汽車加速或過載時,電動機與發動機協同工作,補充發動機動力的不足。國內外投入大量的人力和物力對ISG電機技術進行研究和開發,如日本豐田、本田的混合動力轎車在混合動力客車上采用ISG控制技術技術難度較大。和內燃機同軸的大功率單軸電機方案比較,其結構簡單、效率高,但對電機和控制器提出了更高的要求,本項目是中國第一汽車集團公司技術中心研制混合動力客車用永磁無刷直流電機及控制器系統,由吉林大學研制控制器,江蘇三上機電制造股份有限公司研制永磁無刷直流電機。

1系統工作原理

1.1單軸聯合式混合動力驅動系統

   ISG電機在起動發動機、發動機怠速或汽車剎車、加速時,通過離合器與發動機連接在一起工作。在汽車低速運行時,電動機單獨工作,正常速度運行時,發動機單獨工作。這時,ISG電機通過離合器與發動機脫開。電動機工作狀態時,通過變速箱,按4個擋位改變速度來驅動車輪;發電機工作狀態時,電機向蓄電池充電??蛙噭恿︱寗酉到y如圖1所示。

    圖1單軸聯合式驅動系統示意圖

   混合動力客車用永磁無刷直流電機驅動系統主要由電機、變頻電路(包括斬波器、逆變器電路)、驅動電路、控制系統(包括電流調節器、轉速調節器)4部分組成??刂破鞑捎梅讲}寬調制;調節電流矢量來調節電機的電流和轉速。在發電狀態,交流電整流成直流電給蓄電池組充電,永磁無刷直流電機效率比較其他類型電機顯得更高。

l.2電機驅動系統

   電動機調速的關鍵是轉矩控制。ISG電機驅動系統采用矢量變換的控制方法。通過軟件來調節電流矢量id和iq,從而改變電機的轉速或轉矩??刂齐娐吩O有故障保護功能,采取CAN總線與整車控制器通信。

1.3技術要求

   額定功率50 kW;額定轉矩212 N·m;額定轉速2 300 r/min;最大功率80 kW;最大轉速3 000 r/min;額定點效率90%;蓄電池標稱電壓336 VDC冷卻方式水冷;電機調速響應時間300 ms(±l 000 r/min);電機及控制器能在電動機或發電機狀況下工作;具有過壓、過流、過熱、欠壓,短路保護功能。

2電機

2.1電機選擇

   電動汽車用電機可以采用交流感應電機、開關磁阻電機、永磁同步電機、永磁無刷直流電機。雖然交流感應電機結構簡單、價格低,但是它的功率因數較低,重量功率比大。開關磁阻電機也有相同的優點,但是它在低速時轉矩波動和噪聲也較大。永磁電機轉子無勵磁損耗,同樣輸出20 kW功率時,采用交流感應電機方案,比永磁電機重量增加約20%,電流增加約30%。

   永磁電機可分為由方波驅動的永磁無刷直流電機和由正弦波驅動的永磁同步電機。它們都使用釹鐵硼永磁材料,提高了電機的功率密度和效率。結構上不同的地方是:驅動電路中轉子磁極位置信號的檢測元件不一樣,永磁同步電機采用編碼器,控制復雜,價格也昂貴;永磁無刷直流電機采用霍爾位置傳感器或電機反電勢的方法。性能更佳,直流電壓利用率也比較高。

2.2永磁無刷直流電機

   永磁無刷直流電機機殼內有螺旋槽形的冷卻水道,外散熱系統的冷卻水經過控制器,再流入電機水道,然后從電機流回外散熱系統。機殼內還裝有3相繞組的電樞,轉子采用徑向磁鋼的包容式永磁轉子,徑向磁鋼嵌入轉子鐵芯凸臺間,在徑向磁鋼外設置一焊接成形的套環,提高了電機轉子的強度與可靠性。電機結構如圖2所示。

   圖2電機結構圖

   借鑒航空稀土永磁電機設計及冷卻系統的設計經驗,開展對混合動力客車用永磁無刷直流電機的電磁、結構及散熱設計和電磁場計算,部分數據見表1。對焊接成形的套環和霍爾位置傳感器的安裝及調試,磁鋼粘結等關鍵工藝進行試制。

   永磁無刷直流電機與永磁同步電機的電磁設計計算不一樣:電動機狀態,輸人直流電到電機為逆變成交流電;發電機狀態,電機輸出的交流電需要整流成直流。脈寬調制控制技術對電機輸出參數的影響。電機線電壓與每相電阻Ra、電感La、電流ia,反電勢Em有關。電動機三相六狀態的基本電路方程分別為:

穩態工作電流為: 轉矩與電流和電磁轉矩常數有關:

表1電機電磁計算數據

3控制器

   控制器由位置傳感器輸入電路、IGBT驅動電路、A/D采集電路、PWM輸出電路、標定部分、CPU電源、電源部分組成??刂破鳛椴捎肕otorola主控芯片和DSP內核的嵌入式系統;可實現實時標定數據修改、數據采集及離線標定數據分析,功能靈活,實時性強,可靠性高。

   采用具有DSP內核的混合控制器具有高速運算能力和豐富的I/O能力,使電路簡潔,真正實現單片系統,具有極高的可靠性和性價比。在功能設計上,使用Matlab建立起電機模型和控制器的控制流程,在Matlab上實現控制功能。

   使用嵌入式系統的“V”字型開發流程見圖3所示。它可以發揮多人同時工作的優勢,加快了軟件的開發進度,符合嵌入式系統的國際化開發模式,便于交流和維護。

   使用Matlab的代碼生成工具所生成的代碼具有很高的可靠性,比手工編寫代碼具有更高的效率和可靠性,也具有更好的可維護性。

   具有標定功能。通過對不同的系統實驗,對控制算法的3維圖表中的各個點的數字進行調整,以達到最優的控制效果。

   圖3“V”型開發流程

4試驗與改進措施

   在吉林大學電氣試驗室通過對永磁無刷直流電機及控制器的系統試驗,發生過霍爾位置傳感器信號不穩定、有差異、定位力矩偏大及恒功率區電機降磁通較難等問題。采取相應的改進措施,例如在電機加工中檢查、調整霍爾位置傳感器的信號,采用定子電樞斜槽等,對降低磁通措施。采用加大IGBT的換向超前角,效果較小?;旌蟿畲乓黾与妱畲烹姌?,需要根據安裝空間的可能性;確定采取提高電機空載轉速,使電機轉速特性接近柴油機的外特性。這對工作在恒功率區不大的客車是可行的。

   樣機在吉林大學汽車工程學院試驗室做混合動力臺架試驗,主要內容是:負荷特性、效率特性、速度控制精度、轉矩控制精度、轉矩響應試驗。部分數據和曲線如表2和圖4所不。

表2升降速時間響應試驗數據

   

圖4扭矩穩定性試驗曲線(速度、扭矩)

5結論

   通過對永磁無刷直流電機及其控制器樣機系統試驗及臺架試驗,基本滿足了技術要求,但還需裝在客車上試用。在試驗中也暴露了一些問題,如電機在恒功率區降磁通較難和轉矩波動問題。通過相應的改進措施和試驗,解決暴露的問題,盡快向產業化轉變。

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