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车用高性能永磁电机驱动体系的研发

时间:2020-06-28 15:56来源:http://www.besters.cn 作者:湖南惠民机械有限公司 点击:

来源 |前瞻EV

本文重点介绍高性能车用永磁电机驱动体系中的高功率密度车用电机控制器、广域高效同化励磁电机和通盘字化高性能电机控制柔件平台3 项关键技术,挑出了在功率密度、全周围效果、郑重性、维护性和成本等方面均优于传统的车用永磁电机驱动体系的解决方案。在此基础上开发出高功率密度车用电机驱动体系样机,成功行使于力帆LF620纯电动警务车。

关键词: 永磁电机驱动体系; 电机控制器; 同化励磁电机; 通盘字化控制

序言

车用电机驱动体系是电动汽车的关键和共性技术。因受到车辆空间局限和操纵环境的收敛,车用电机驱动体系迥异于清淡的电传动体系,它请求具有更高的运走性能( 如全速度周围的高效果)、更高的比功率(不矮于1. 2k W/kg) 以及更厉酷的做事环境(环境温度达到105℃) 等等[1],为知足这些请求,车用电机驱动体系的技术发展趋势基本上能够归纳为电机永磁化、控制数字化和体系集成化。

与国际先辈程度相比,吾国在面向车辆工况的电机体系优化设计能力,知足产业化需要的通盘字化电机控制柔件平台建设,机电一体化体系集成设计能力,以及高集成度功率电子模块研制与生产、产品郑重性、耐久性和成熟度的考核与分析等方面,仍存在较大差距。随着吾国电动汽车产业化进程的推进,这些技术差距必将影响有关走业的市场竞争力。

睁开盈余90%

本文中重点介绍了高性能车用永磁电机驱动体系中高功率密度、高效果与矮成本的车用电机控制器、广域高效同化励磁电机和知足可重复性、可移植性和易操纵性请求的通盘字化高性能电机控制柔件平台3项关键技术,挑出了在功率密度、全周围效果、郑重性、维护性及成本等方面均优于传统的车用永磁电机驱动体系的解决方案。并开发出新式同化励磁电机驱动体系和高功率密度、高效与矮成本的车用电机控制器样机,后者已成功行使于力帆LF620纯电动警务车,服务于2010年上海世博会。

1 高功率密度车用电机控制器

电动汽车中主驱动电机控制器清淡采用典型的三相桥式电压源反变电路,其重要部件包括功率模块、直流侧赞成电容和叠层母线排[2]。根据车辆对控制器的功率等级需要,功率模块大众采用绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,IG-BT) ,其成本清淡占到电机控制器总成本的30% 以上,功率模块的性能、郑重性与成本直接影响电机控制器产业化的实现; 直流侧赞成电容是控制器中最重要的无源器件,重要作用是接收功率模块开关造成的直流侧脉动电流,安详直流侧输出电压电流,从而挑高蓄电池操纵寿命,其体积和质量对控制器的功率密度有很大影响。因此,IGBT功率模块和直流侧赞成电容是挑高控制器性能和控制成本的关键。

1. 1 智能IGBT功率模块的研发

为挑高IGBT功率模块的运走性能和郑重性,降矮成本,中国科学院电工钻研所说相符国内功率模块封装企业进走具备自立知识产权的国产智能IGBT功率模块的研发。在IGBT设计方面进走了大量分析优化和工艺设计做事。

最先,借助计算机仿真分析技术,优化模块内部芯片组织和布线,从而削减了模块内部的杂散电感; 优化底板设计、控制底板弧度,降矮了芯片答力; 采用氮化铝DBC基板,降矮了炎阻。

其次,行使特有干法大面积焊接免清洗技术,削减了焊接空洞率,削减炎阻; 钻研答力控制的压焊技术,挑高了电漂泊涌能力,削减了引线的杂散电感。研发出的智能IGBT功率模块内部组织及实物见图1(a) 和图1(b) 。

同时,进一步挑高体系集成度,在智能IGBT功率模块内部集成了驱动珍惜电路。在驱动技术方面,采用分段驱脱手段,在通例推挽驱动原理电路中添入可控辅助充放电电流源,在萎缩器件开关时间的同时,降矮开经由过程程中集电极电流尖峰和关断过程中集射电压尖峰,减幼开关答力、消耗和噪声; 在珍惜技术方面,采用了集射电压检测手段和短路珍惜实现电路,在短路发生后无延时地箝制由米勒效答造成的门电压仰升,避免误导通。

图1智能IGBT功率模块及60k W高功率密度电机控制器

1. 2 直流侧赞成电容的选择

在由蓄电池储能的电动汽车中,原由蓄电池组内部等效电容很大,清淡在法拉量级[3],对直流电压的滤波可重要由蓄电池组实现,赞成电容并不独自承担电压滤波的功能。原由稳定的输出电流有利于挑高蓄电池组的操纵寿命,因而在平常工况下,期待蓄电池组输出电流Iin挨近于理想直流,此时直流侧电容须接收因IGBT赓续开关所造成的脉动电流,导致直流侧电容电流Icap一向脉动,因此在蓄电池组供电的条件下,直流侧电容的选取重要考虑其能挑供的纹波电流有效值的大幼,而电容值可相对选取较幼。

直流侧赞成电容的传统设计手段是采用一组串并联的电解电容,体积大而且郑重性不高,难以进一步升迁功率密度。采用聚相符物膜( 金属聚丙烯膜) 行为电介质的金属膜电容体积幼、高频特性益具有更大的电流挑供能力和更矮的等效电阻; 寿命可达到100 000h,而 普 通电解电容只有5 000 ~10 000h。这些特征使金属膜电容特意正当电动汽车的行使条件[4 - 5]。高功率密度的车用电机控制器采用新式220μF/600V金属膜电容行为直流侧赞成电容。该电容采用金属聚丙烯膜行为电介质,做事温度可达到105℃。10k Hz时能够挑供有效值为100A的峰值纹波电流,开关频率即使在20k Hz时,也仍保持容性阻抗特性,同时电容值可随开关频率增补而增补。很清晰,膜电容具有矮感、高频特性益和大电流挑供能力等益处,除尘设备特意正当较高频率条件下行使。

1. 3高功率密度电机控制器的研发

行使智能IGBT功率模块和金属膜电容技术所研制的60k W 高功率密度电机控制器如图1(c) 所示,该控制器的质量比功率为4k W/kg,体积比功率为6k W/L。

2 广域高效同化励磁电机

无刷永磁电机具有高能量密度、体积幼、质量轻和效果高等益处,在电动汽车中具有极益的行使前景,已行使于国内外众栽电动车辆。但其永磁磁链无法调节的弱点在恒定供电电压下会带来弱磁控制题目: 车辆动力性能请求电机体系在高转速下具有较宽的恒功率调速周围以保证车辆的高速性能。原由受到电池电压的局限,现在大片面永磁电机体系采用增补定子绕组往磁电流的手段来抵消永磁磁场,从而达到恒定供电电压下弱磁调速的方针,但这栽手段降矮了体系效果和功率因数,增补了控制器成本,同时还存在深度弱磁控制时安详性差和高速失控时的电压坦然题目。同化励磁电机能解决以上题目。

2. 1 旁路式同化励磁电机的基本原理

同化励磁电机是在永磁电机与电励磁电机的基础上演变而来,经由过程在永磁电机中引入电励磁绕组使电机获得励磁可控的性能,电机更正当于宽速度周围、高弱磁比的行使场相符,弥补了单一励磁手段的不能。中国科学院电工钻研于是旁路式同化励磁电机为钻研对象,在电机组织、电机参数特性、电机数学模型和励磁电流规划等方面进走了深入钻研。旁路式同化励磁电机做事原理如图2 所示,为最大程度继承永磁电机高效和高功率密度的益处,电机励磁重要由永磁磁势挑供,电励磁磁势重要用于添强或减弱主磁路磁通,经由过程调节电励磁电流大幼实现电励磁助磁与弱磁功能。

(1) 助磁工况

电励磁助磁工况下的磁路如图2( a) 所示。N 极侧的电励磁磁力线从电励磁端盖经由过程轴向气隙进入电机转子N 极,与永磁体磁力线一路经由过程主气隙与电枢绕组交链,一片面磁力线经由过程端盖闭相符,另一片面磁力线经由过程电机轭部与主气隙进入转子S极,经由过程S

极侧轴向气隙进入电励磁旁路闭相符。

(2) 弱磁工况

电励磁弱磁经由过程励磁电流反向实现,反向的电励磁磁势与永磁体磁势竖立与助磁工况下电励磁旁路中相背的磁力线倾向,片面永磁体磁力线不经过主气隙与电枢绕组交链,实现电机弱磁运走。

2. 2 样机与实验首先

现在已完善的原理样机最大输出功率为4k W,电励磁磁势为 ± 1 200A·T。图 3 为采用最优励磁图2旁路式同化励磁电机做事原理电流规划后的电机效果和恒定4A 励磁电流下实验首先的对比。由图可见,同化励磁电机高效区周围及转速周围均有拓宽。

图2旁路式同化励磁电机做事原理

综相符来望,与传统无刷永磁电机相比,旁路式同化励磁电机具有隐微益处: 如矮速时添大励磁以挑高输出转矩; 高速运走时减幼或反向励磁从而拓宽电机的恒功率弱磁区; 降矮电机在高速运走下的铁损,挑高效果; 动态调节励磁电流大幼,挑高负载转折时发电电压动态性能; 减幼电枢反答弱磁磁势,降矮永磁体高温运走时的失磁风险等。同化励磁是异日车用永磁电机的重要发展趋势。

图3 同化励磁电机效果对比

3 通盘字化高性能电机控制柔件平台

电动车辆的大批量标准化生产,请求其驱动电机体系所采用的控制柔件知足可重复性、可移植性和易操纵性的请求,具有这些特点的通盘字化电机驱动控制体系是其重要发展倾向之一。除永磁同步电机控制所需的中央控制策略———包括深度弱磁技术、物化区赔偿技术、抗积分饱和PI技术、解耦技术等磁场定向控制技术外,为知足电动车辆的高度郑重性和坦然请求,数字化车用驱动控制体系还请求具有故障监控、故障珍惜和自诊断等功能。

3. 1 柔件平台重要功能

为达到保证郑重性的前挑下知足柔件体系可重复性、可移植性和易操纵性的方针,根据电动汽车对电机驱动体系的请求以及开发操纵人员的需要对电机驱动柔件体系遵命系列化、平台化和服务化的现在标进走规划。柔件平台拓扑如图4所示。该通盘字电机驱动柔件平台实现了以下重要功能: ( 1) 柔件硬件别离 为方便柔件开发人员,并实现柔硬件的解耦,把柔件从硬件中剥离出来,形成柔件算法文件和硬件配置文件; ( 2) 算法功能模块化 按最幼功能化把一切的算法模块化,实现算法间解耦; ( 3) 参数分类挑取 对体系平台中展现的一切参数进走挑取并分类,方便参数配置; (4) 迅速开发模式 采辛勤能模块串联的手段,实现体系平台的迅速升级和第三方开发; (5) 产权珍惜功能以IP核的手段变通实现核默算法的产权珍惜。

图4电机驱动柔件控制平台

3. 2 关键技术

电机驱动柔件控制平台的核默算法采用通盘字化的磁场定向控制(field oriented control) ,结相符上位机控制,集成如下控制技术。

(1) 具有转速控制、转矩控制及功率控制3栽模式,并可实现解放切换[6]。在全速度周围恒转速控制偏差≤10r/min; 恒转矩控制偏差≤5% Tn(Tn为额定转矩) ,转矩反答时间< 0. 3ms。

(2) 具有沿最大转矩电流(maximum torque perampere,MTPA) 弯线最先控制到沿电流圆弱磁进入弱磁二区,再沿最大转矩电压( maximum torque pervolt,MTPV) 弯线进入弱磁三区的深度弱磁控制技术,如图5所示。

(3) 采用物化区赔偿技术有效按捺电压源反变器零电流箝位效答,如图6 所示,有效改善电机的矮速性能[7]; 采用一栽具有展望功能的抗积分饱和速度PI 控制器,电流调节更添迅速、无超调; 实现了电压解耦,高速性能更添安详[8]。

此外,还具备体系自检、参数在线整定、故障诊断、柔件珍惜、CAN通信和上位机功能。

实验用电机参数如外1所示,实验中基速为600r / min,进入三区弱磁最高转速4 000r / min。

图5永磁同步电机做事区域和全区控制实验首先

图6 物化区赔偿前后电机相电流波形和频谱

通盘字化高性能电机控制柔件平台经由过程实验验证和工程行使表明,能知足电动汽车首动添速、矮速爬坡和高速运走等复杂工况的需要,并以IP核的式样进走产权珍惜,具有良益的可重复性、可移植性、易操纵性、友益的升级维护和第三方开发功能,具备了体系化、平台化和服务化的特点。

4 结论

本文中钻研了高功率密度车用电机控制器、广域高效同化励磁电机和通盘字化高性能电机控制柔件平台3项关键技术,所挑出的技术方案在功率密度、全周围效果、郑重性、维护性和成本等方面均优于传统的车用永磁电机驱动体系,具有普及的行使前景。

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