第三章 电动汽车驱动系统

第三章 电动汽车驱动系统及

控制系统应用实例

第一节 电动汽车交流感应电机驱动系统

几年前，几乎所有的车辆牵引电机均为直流电耐，这是因为牵引直流电机具有起步加速牵引力大，控制系统较简单等优点i近几年来，交流电流驱动系统的研制和开发不断取得新突破，它的突出优点是体积小、质量轻(其比质量约为0.5～1.0kg／kW)、效率高、基本免维护、调速范围广。下面是一具有代表性的电动汽车交流电机驱劫控制系统，如图3-1所示。它主要由四个子系统构成：驱动系统、冷却系统、车身控制系统、能量管理系统。

具有交流驱动系统的电动汽车是90年代发展起来的新技术，尽管目前尚处于发展完善阶段，试制成本比较昂贵，但该系统已显示出强大的生命力，与直流电机系统相比，它具有以下优点：

①交流驱动系统的批量生产价格几乎与直流系统相当； ②交流电机的可靠性约为直流电机的六倍；

⑧整个交流驱动系统的可靠性约为直流驱动系统的2倍；

④直流斩波调速系统的维护保养费用约为AC系统的2.5倍；

⑤交流驱动系统与直流斩波调速驱动系统相比，节约5％～7％的电能，而与直流电阻调压调速系统相比将节约25％～30％的电能。

在目前世界上众多著名电动汽车中，美国通用汽车公司的Impact电动轿车采用的是感应电机交流驱动系统，通用汽车公司1990年展出的Impact电动轿车，采用前面两个车轮驱动。

两个车轮旁都有一个峰值功率为42.5kW的三相鼠笼感应电机，两个逆变器分别控制这 两台电机，逆变器采用了P—MOSFET大功率半导体器件，用PWM(脉宽调制)方法产生频率在0～400Hz范围可调的三相正弦电压驱动电机。使用两台电机和两个逆变器是为了避免大电流带来的一些问题，电机的效率在90％～95％范围内，效率大小由负载大小决定，电机最高工作转速为12 000r/min。该车使用美国德科·瑞米(Delco Remy)的32块10V的铅酸电池串联给驱动系统提供320V的系统电压，电池组的容量为42.4Ah，所含能量13.6kwh，

30

电动汽车的关键技术

电池箱重395kg。该车从静止加速到96 km/h仅8s，以88km／h速度运行的一次充电续驶里程为193 km。

美国通用汽车公司为中小学学生研制的电动大巴校车，采用两个额定功率为50kW、峰值功率为120k'W的三相感应电机，逆变器采用了大功率半导体器件IGBT(绝缘门双极型晶体管)。为了分散IGBT所承受的电流，每个感应电机的定子采用双绕组结构，并配置两个逆变器。

日本日产汽车公司的Nissan FEV电动汽车使用了两个三相感应电机，每个电机额定功率20kW，最高转速达到了15 000r／min，最大扭矩47.5N·m，配置了两个以IGBT为大功率半导体器件的逆变器。

德国宝马汽车公司的BMWEl电动汽车采用前轮驱动，使用两个BDCM(无刷直流电动 机)，每个电机额定功率为32kW，峰值功率为70kW，比功率达到了3kW／kg，配置了两个以IGBT或P—MOSFET(功率场效应晶体管)为大功率半导体器件的逆变器。

日本东京电力等几家公司联合开发的IZA电动轿车采用电动轮直接驱动，四轮中每轮都安装一个BDCM电机，每个电机额定转速288r／min，额定功率6.8kW，最大转速1.0r／min，电机控制器是以GTR(大功率晶体管)为大功率半导体器件的逆变器。

第二节 电动汽车交流驱动系统及常规控制应用实例

1．牵引电动机设计要求举例

重庆电机厂在1994年为美国通用休斯电子公司研制生产了电动汽车牵引用三相鼠笼感 应电动机，其中50kW／15kW(指最大功率为50kW，额定功率为15kW)的电动机用在了电动轿车上，下面将通用休斯电子公司委托该厂生产的100kW／30kW(指最大功率为100kW，额定功率为30kW)的电动牵引电动机的要求介绍如下。

(1)电机类型

三相交流鼠笼式感应电动机，建议采用四极，厂家也可以根据情况而定采用几极，要求电机采用Y形连接方式。

(2)电气参数

①线电压：转速3600r／min时，线电压有效值为195V；

②效率：转速3600r／min和输出功率30kW时，效率≥93％；转速3600r／min和输出 功率100kW时，效率≥91％；

③功率因素：转速3600r／min和输出功率100kW时，功率因素≥0.85。 (3)机械参数

①基准转速：3600r／min(基准频率120Hz)；

②最大扭矩：转速不高于3600r／min时，最大扭矩能达到265N·m；

⑧额定扭矩／功率：转速不高于3600r／min时，电机持续工作的扭矩能达到N·m；转速为3600～9000i／min之间时，电机持续工作的功率能达到30kW；

④最大功率：在冷却液入口温度为45℃，转速为3600r／mln时，电机能以100kW的输出功率连续工作5min；

⑤转速指标：0～9000r／min工常工作转速，机械极限转速10000r／min；

⑥环境温度：一20℃～十65℃；

⑦使用寿命：总运行时间能达到10 000h，其中在电机冷却液入口温度为65℃条件下按 图4—2(a)所给定的工作循环运行7 000h，在转速为?500r／min和输出功率为30kW时，连续运行3000h。为了进一步理解图4—2(a)所示工作循环的概念，图4—2(b)给出了与图4—3(a)相对应的电机功率输出循环，图4—2(c)还给出了电机的最大扭矩和最大功率相对于电机

31

电动汽车的关键技术

转速的特性图；

⑧质量：电机总质量不大于85 kg； ⑨噪声：3 600，／min时，噪声 小于80dB；

⑩振动：10～28Hz，振幅1 mm 振动；28～200Hz，30m／s的加速度： 根据DIN45665确定一般振动能力； 0～7 000r／min，2.5mm／s等效速度； 7 000～8 500r／min，4mm／s等效速度。

2．30kW交流驱动系统 某公司研制、开发了30kW以 上交流驱动系统用于电动汽车，这 套系统由一台额定功率为30 kW的 交流异步电动机，IGBT变频器构成。

(1) 15kW交流异步电动机的主 要技术指标：

①额定电压：280V；②额定转 速：l 500r／min；③调速范围：50 ～4 500r／min：④额定扭矩：70N· m；⑤启动扭矩：105 N·m。

(2) 变频器的主控制系统

30kW交流驱动系统是一种全数字系统。它的控制电路主要由8098微处理器和产生SP- WM控制波的SLE4520组成，还有 一个与之配套的软件系统。系统框 图如图3-3。

其中四位LED显示器配合8 个功能键来控制和显示电动汽车正 在运行的速度或负载电流。在出现 故障时，自动显示故障类型。8098 通过8255的PA3～PA0经驱动器与 PCI～PC0共同控制8个功能键，通 过8255的PB7～PB0输出相应的运 行速度或负载电流；在出现故障时， 自动显示故障的性质，便于维护。 (3)驱动系统主电路

主电路的大功率模块IGBT为

CMl00TF二32；它是一只6单元、 100A、600V的第三代IGBT，在PWM波控制丁T1～T6，按要求导通和断开的情况下，极为重要的是保证一个臂的上下两只IGBT不能同时导通，否则就会损坏IGBT。因此，保护电路在变频器中是极为重要的一部分，保护电路包括直流输入欠压检测，直流过压检测，直流过流检测，交流输出过载检测及散热体过热检测等。其中直流过流检测应用霍尔电流敏感

2

32

电动汽车的关键技术

器件，其它保护电路用电压检测器MC3400／330。霍尔器件用LEM公司的LA25一NP电流传感器，它的原边与副边电路是绝缘的。

在输入输出口中，全部采用高速光电耦合器件来切断接口与微处理器之间的电路联系，以防止干扰从检测器的输入通道和保护电路的输出通道进入主机系统。采用高速光耦器件的主要优点是有效地抑制尖峰脉冲及各种噪声干扰。

本系统与直流驱动系统相比较，性能指标基本相同，但交流驱动系统的价格比直流驱动系统要高得多但运行成本低。

第三节 3bkW开关磁阻电动机调速控制系统

电动汽车的驱动系统除了直流电机驱动系统，感应电机交流驱动系统和永磁同步电机交流驱动系统以外，近年来，开关磁阻调速电机(SRM)驱动系统也开始在电动汽车上进行了试 验。开关磁阻调速电机是英国于1983年首次正式推出的，经过十几年来的研制开发，现已成为现代交流调速传动的又一个新支，它是由磁阻电机和开关电路控制器组成的机电一体化新型调速电机。它具有可控参数多，实现四象限控制方便、成本低、效率高等优点。随着技术的进步，开关磁阻电机驱动系统以其优越的价格性能比，将在电动汽车的开发研制中具有更加广阔的发展前景。

下文介绍驱动22座EQ6690EV轻型电动客车(中巴)开发的开关磁阻电动机调速系统。

(1)驱动系统的主要技术指标 „ ①额定功率：30kW

②额定转速：1 500r／min ⑧额定转矩；190N·m

④启动转矩：1.5×190N·m

⑤调速范围：50～4 500r／min(正向) 50～1 500r／min

⑧恒转矩工作区：50～1 500r／min

⑦恒功率工作区：1 500～2 300r／min

⑧升降恒时间 (0～1 500和1 500～0r／min)：3s ⑨电源电压：DC288(波动范围240～302V) ⑩冷却防护：自冷；Ip23 (控制器) Ip44 (电动机)

(2)开关磁阻电动机调速系统的结构原理

图3—4表示本系统框图，其结构上主要由磁阻式电动机和控制器两部分组成。控制器接受的操作指令来自汽车司机的面板开关信号和踏板信号。 面板开关信号主要用于使电动机起动停止和正反向转动；踏板信号用于电动机的转速给 定。

控制器同时接收来电动机传感器的反映电动机运行状况的信号，调节并使电动机按操作 指令运行，且维持良好的工作特性状态。电动机的运行状况可通过置于车辆仪表板上的显示电路显示出来。

选择电动机与Y系列鼠笼感应电动机相同的机座型式，其中心高为200mm，自冷、防护等级为Ip44，考虑到要求电动机启动转矩较大和转矩脉冲较小，定转子铁心采用8／6级四相式结构，见图3—5。

控制该电动机四相绕组激励电流的大小，可改变电动机的转矩和转速。控制电流与转

33

电动汽车的关键技术

子角位移的相对关系，可实现电动运行和制动运行。通过改变各相绕组的激励次序，还可改变电动的转向。

电动机后部装有传感器，主要由齿盘和两只传感器原件组成，用以检测电动机的角位 移和拍转速。

图3-6表示了控制器中功率

电路及其与电动机绕组的连接关系。

由2 4个镍铬电池相串联构成 的电源B0通过接触器KM与功率 电路相连接。功率电路主要由四只 IGBT功率开关TA、TB、TC、TD和

四只续流二极管DA、DB、DC、DD

构成四相半桥式逆变电路，其IGBT的额定容量为600A／600V。 这里采用两相同时通电的工作方式。当任一时刻两只功率开关同时导通时，电源电能流向电动机绕组。当一只功率开关关断时，绕组通过续流二极管向电源回馈电能。在电动机处于电动状态时，每通电周期从电机流向电源的电能多于从电源流向电机的电能，此时电动机工作于发电状态，蓄电池被充电。

图中电容器C的作用是将逆变桥路较尖锐的工作电流进行滤波，使流入流出蓄电池的电流比较平滑。如电动机额定工作时，绕组峰值电流为330A，而电源峰值电流为150A。 控制电路的作用是接受操作指令信号，向功率电路输出功率开关的驱动信号，如图3-7。

34

电动汽车的关键技术

控制电路的输出信号由相位电逻辑、转速调节和限流三路信号组合而成。其相位电逻辑电路决定四相功率开关的通断区间，满足电动机不同转速、负载及电动制动转换需要。转速调节是通过典型的转速、电流双闭环实现，并通过脉宽调制 (PWM) 方式对电动机调速。限流电路用于保护电流不超过允许范围。

此外，控制电路还对系统运行情况进行监捌，实现对电源电压越限、电动机过载、电动机堵转、电动机过电流、控制器过热及短路等多项保护。

采用开关磁阻电动机谓速系统用于电动汽车有如下特点：电动机结构简单、坚固，特别是转子上无绕组，适用于频繁正反转及冲击负载，功率电路采用的功率开关元件较少，电路较简单。功率元件与电动机绕组相串联，不易发生直通短路，因此成本较低，工作可靠，控制电路较简单，能够实现宽调速、低速大转矩和制动能量反馈等特性；系统效率高，启动转矩大、电流小。

第四节 通用休斯电子公司丑20kW感应电机驱动系统举例

图3-8是通用休斯电子公司为屯动大巴校车设计的双绕组三相感应电机驱动系统结构框图。驱动系统由逆变器和职绕组感应电机两大部分构成。在电动汽车上，通常说的电机功率是指电机的最大功率，而不是指电机的额定功率。这里说的120kW电机，指的是电机最大功率为120kW，图3-8所示电机的额定功率只有50kW。图中的电机为双绕组结构的三相鼠笼式感应电机，电机之所以要采用双绕组结拇，是为了使由IGBT构成的电源变换器能分为两组来给电机绕组提供三相交流电。这样虽然驱动系统中的IGBT的数量增加了一倍，但由于降低了单个IGBT所承受的电流(降低一半)．，而可以选用耐电流值较小的IGBT，整个驱动系统的成本反而降低了，电源变换器采用PWM方法，实现由电池组提供的直流电源到输入给电机的可变频率和幅值的三相交流电的变换。

图3-8所示驱动系统为闭环控制系统，内环有电机的相电流反馈，外环为电机转子位置和速度反馈，用旋转变压器来做为检测电机转子位置和转速的传感器。系统采用了多处理器方案，有68MCll微处理器和数据处理器(DSP)，DSP用于快速实时完成如失量控制、闭环

35

电动汽车的关键技术

控制所需的大量数据处理工作。系统具有再生制动的功能，电机能在四个象限内运行。而电机温度反馈用于保护电机，防止电机因系统出现故障而过热。

驱动系统接收电动汽车加速踏板、PRND按键、刹车踏板等输出控制信号，并根据电机转子当前的转速、转向和位置等信号，对电机进行矢量控制。矢量控制决定了由六个IGBT三相桥路构成的电源变换器(两组控制变换器需要12个IGBT)的脉宽调制过程，产生频率和幅值可变的三相交流电来驱动电机，或实现车辆的再生制动，把车辆运行的机械能转换为电 能给蓄电池充电。加速踏板采用电位器作为踏板位置传感器，刹车踏板也采用电位器来作为踏板位置传感器以实现车辆的再生制动，当刹车踏板往下踏到了足够低的位置时，除了再生制动仍然有效外，气刹式或液压制动也同时有效，这样满足了紧急刹车的需要。

该驱动系统配有J1850串行通讯口，能通过一简单的转换器，与便携式PC个人计算机连接。在软件的配合下，便携式PC机记录驱动系统中的各传感器数据，所记录的数据为以后对电动汽车驱动系统进一步优化设计提供重要资料。便携式PC机还能显示驱动系统中的加速踏板电位器、刹车踏板电位器等许多电路连线是否有错或是否有其它故障。

在该通用公司为中小学学生设计的电动校车上，使用了两套如图3-8所示的驱动系统，驱动系统的逆变器和电机共用一个冷却回路，采用油冷方式，电动校车约12 m长，车辆和乘客的质量约16 t。在我国城市中。由于车辆运行的速度较低，在设计类似于上述电动校车的电动大公共汽车时，驱动系统的功率可选得较小一点。

第五节 智能控制系统应用举例

电动汽车驱动系统采用何种控制方案是十分重要的。开环控制有很多缺点，如精度依赖于执行部件电机单元本身和负载扭矩，且动态响应慢。那些低速低功率电动汽车可能采用较简单的开环控制。而高性能的电动汽车采用闭环控制并使用先进的控制算法。采用普通硬件和复杂软件相结合，能实现电动汽车不同的应用要求。

在电动汽车的驱动系统中，希望能够调整电机磁通来保证电机完成特定的运行，但要注意电机的工作效率，电机处在其额定磁通状态下效率最高。交流感应电机或交流永磁同步电机PMSM磁通开环调整采用的变压变频控制(VVVF)已广泛用于工业当中，尽管采用误差补偿能够改善性能，但要想其精度不依赖电机自身和负载扭矩时，闭环控制是必要的，采用闭环控制还有一大优点就是动态响应过程变快。

感应电机交流驱动系统和永磁同步电机PMSM驱动系统，要想获得快速动态响应和精确的控制，必须采用矢量控制(Vector Contr01)。矢量控制技术提供了一种把定子电流向量分解成两个正交电流分量的方法；一个产生气隙磁通，另一个产生扭矩，这样，就提供了一种与激励直流电机相似的扭矩和磁通分别控制，使交流感应电机具有与直流电机同样好的控制性质。

微处理器、数字信号处理器(DSP)、微控制器和专用集成电路芯片(ASIC)在驱动系统中 的不断发展和应用，使其能够快速完成复杂的控制算法和实现最优的控制方案，也能增强驱动系统控制的灵活性和使用的可靠性。

常规线性控制算法，如PI和PID调节方法不再能满足高性能的控制要求。常规PID控制中的比例、积分和微分三种控制作用，对于获得良．好控制来说都是必要的，但是还不是充分的条件。这种控制方式无法解决稳定性与准确性之间的矛盾。对电动汽车而言，由于它本身固有的惯性和滞后特性，以及控制系统中被控对象或过程动力学特征的内部不准确性和外部环境扰动的不确定性，所有这些因素都给系统控制带来困难，使控制问题复杂化。从物理本质上看，控制过程是一种信息处理及能量转移的过程。因此，提高信息处理能力，以最短的时间和最小的代价实现系统按预定的规律进行能量转移，就是控制系统设计所要解决的

36

电动汽车的关键技术

中心问题。

被称为第三代控制理论的智能控制(1C——Intelligent Contro1)就是自动控制、计算机技 术、人工智能及运筹学等不同领域的相互交叉和渗透，形成许多新的现代控制技术，如自适应控制、模糊控制、神经网络和专家系统等。

下面介绍电动汽车驱动系统的模糊控制技术应用实例。

该电动汽车控制系统，从接收的加速踏板、刹车踏板、转向盘、PDRN控制手柄的输出信号、工况反馈信号和能量管理控制系统(蓄电池储能、能量再生等等)的信号，均采用模糊逻辑推理处理。完成系统模糊控制，实现人工智能最佳控制方案。

电动汽车驱动系统中采用稀土三相永磁同步交流电机，采用IGBT的逆变(直一交)调速 装置，其驱动系统原理框图如图3-9所示。 电动汽车驱动系统中除电力 驱动装置外，关键在于控制器， 它从动力链的各个环节上如何进 行合理控制车的运行状态、能源 分配和协调功能，以充分协调和 发挥各部分的优势，获得整体汽 车的最佳运行状态，这就必需有 一个性能优越、安全可靠的控制 器。电动车是多变量输入，且难 以用一个准确的数字模型来描述， 如脚踏加速板给出的信号与车速

的关系，它不仅与路况有关，还 与环境有关，同时与蓄电池当前 储能状况有关。这些难于用数字

模型表示的系统，用模糊控制就

相当容易解决。模糊逻辑控制实 际上是一种专家系统的方法，能模仿人对被控系统的控制操作。模糊逻辑控制推理的基础就是知识库；电动汽车在不同工况下的不同运行规则，可在运行过程中逐条调整，逐条修改知识库，实现电动汽车优化控制。

模糊控制器采用模糊推理芯片F100 及有关外围接口电路组成，原理方框如图 3-10所示。

模糊控制器的控制规则是基于司机手 动控制策略，手动控制的作用同自动控制 系统中的控制器的作用是基本相同的，所 不同的是手动控制决策基于操作者的经验 和技能，而控制器的控制决策是基于模糊 逻辑推理规则。利用模糊集合理论和语言 变量的概念，用模糊条件语句归纳司机手

动操作策略，即建立模糊控制器的模糊控

制规则。采用常用的模糊语句，如“若有

刹车信号(Z＝1)时，则应有电动机转矩为零(即应有u1 = 0 )，且能源再生控制电路启动、工作”，这就可用模糊条件语句“若A则B，且若A则C (if A then B and if A thenC)”来描述。

37

电动汽车的关键技术

如此将司机手动操作的策略归纳出主要的四十模糊控制规格后，存储于模糊芯片F100中，当加速踏板；刹挚踏板√转向扭、PORN(停车、前进、倒车、空挡)以及电动机运行状态等各检测信号输入到F100芯片后，根据各类信号值(在(0，1)间取值，与FlOO内主要的4规则比较，决策出唯一的输出，去控制功率电路等)，最后使得电动机获得最优运行状态，即使电动汽车处于最优的行驶状态。

主要的4模糊控制规则是：加速踏板对应4条，刹车踏板对应2条，PDRN对应4条，转向盘对应10条，直流I检测、交流I检测各对应10条，蓄电池充、放电及储能状态对应4条，保护措施对应4条。

38