原创 电动汽车电机控制

2021-9-15 06:40 699 2 5 分类: 汽车电子 文集: 3产品

电动汽车的行驶主要依靠电机,那么电机是如何带动汽车完成加速及匀速行驶的呢?本文来探究一下。

根据特斯拉官网的介绍,后轮驱动单电机Model S的轴马力额定值基本约为360-470马力。从网上的参数介绍后电机最大功率为285kW,扭矩440Nm,转速可以达到1800转每分钟。电机由台湾富田生产的三相异步交流电机。三相异步电机又叫感应电机,适合高速旋转,免维护成本低,但其控制上较永磁电机复杂。异步电机主要通过外部定子的磁场旋转来带动转子旋转,转子由于不采用永磁体而依靠感应电流产生的磁力驱动旋转,因而异步电机可以几乎不依赖做永磁材料的稀有金属,由于稀有金属产地数量少产量也不高,且美国并不是稀土大产出地(实际美国储量不小,估计是准备用作战略储备),应用需求较多时价格会波动,成本不稳定,从这个角度来看就比较好理解特斯拉在中国建工厂以及采用永磁电机的原因了。当异步电机产生磁场的定子线圈电流在外界的控制器下不断旋转时,内部的转子就跟着转起来产生扭力输出了,这样就实现了电能到机械能的变化,而其中主要的环节在于电机的输出效率与控制器对磁场的控制准确性。由于电机是输出带载工作的,而汽车在不同的工况下对电机的负载可能因为车上的人员数量,加速度的要求及车身整体的阻力要求不同,输出的负荷力作用在电机的转子上对驱动磁场的变化要求也不断变化,控制器能不能跟随完成准确的控制就决定了动力输出的效果。如果控制器没有做好则汽车的驾驶感就会好不了,影响到整车的市场表现,另外电机本身也面临加工误差及电参数偏差和装配误差的影响,控制器也要能适应。

要实现定子上的磁场旋转就要有多个不同位置的磁场线圈,当外界的控制信号变化时,就可以按一定的顺序实现磁场的变化了。要实现这样的变化至少要三个磁场线圈,如果只有两个,仅通过对称放置无法实现是向左侧的磁场旋转还是向右侧的磁场旋转,而采用相邻的放置则会使转动圆周上另一侧的磁场无法形成相同的平衡驱动力,工作起来像是拨一下拨一下在转的感觉,不平稳。

当定子上采用Y型连接的方式将三个线圈分布120度绕制后,就可以形成受电源控制的磁场。当A有交流电进入时,初始相位为0,则A点相当于无电流;B的交流电为sin(120)=0.866;C的交流电为sin(240)=-0.866电流值,这样就说明电流可从B进入到C出来。当相位为120时,A点相当于0.866B点相当于-0.866C点相当于0,则电流从A进入到B出来,C点相当于开路。当相位为240时,A点相当于-0.866B点相当0C点相当于0.866,则电流从C进入到A出来。总的来看就是定子上的磁场随着控制电流的相位每120度做跟随逆时针旋转,这样磁场在外界交流电的一个周期中完成一次的变化,转子在感应电流的作用下也会转起来了。

在电流一个周期的时间里,定子上的磁极如上图向左移动。第一张图对应0时刻的磁场,第二张图对应120度时的磁场,第三张图对应240度时的磁场。根据另一张图的电流进出关系可以分析得到对应的磁极情况。六个方块代表A线开始顺时针下来的几个磁极,图下方的上下三角形代表上面的线所对应的电流的方向。

0时刻时A线没有流进的电流,B线有电流流入,在第三块导磁材料上的这一面(内面)形成S极,第二块导磁材料上形成N极,不过因为Z线上电流也是下往上的,因而第二块导磁材料上由Z线形成的S极抵消了B线形成的N极,因而没有磁极表现。第六块的磁极上受电流影响形成N,第五块受C线与Y线的抵消没有形成磁极,第四块受C线影响生成S极,第一块受Z线影响生成N极,这样分别构成N--S-S--N的磁极形态。同样的道理得出第二幅图与第三幅图,这样对照看就可以看出磁场在向左两格移动。这就是电流的特定变化带动磁场变化的过程。同样的原理下,可以通过设置更多的磁极来使体积较大的电机获得更大的扭力输出及更平稳的运作效果。

 

内部的转子部分在外面定子磁场的转动下感应出来电流,这个感应电流又会生成作用力带动转子形成扭力输出,转子产生的扭力与外面定子产生的磁场大小有关,也与转子的感应电流有关,而磁场的大小一方面与驱动的电流有关,还与定子与转子的磁隙大小有关。感应电流的产生主要是金属在变化的磁场中感应生成的,因而感应电流的生成可以使用铁、铜、铝金属,从成本上使用铝较便宜,而使用铜这样的良导体可以产生更大的感应电流。

从上面的电机情况介绍后,大家可以知道控制电机主要是控制定子上的电信号来完成调速的,调速主要是频率上的调整。因而可以理解电机的控制器主要是变频控制器,而电动汽车上的电源提供是电池产生的直接电,并没有交流电,因而控制器的一个功能点就是把直流电转变为交流电,通过三个H桥来完成转换,这个电路结构并没有很新型,但是电动车里驱动电机的电流相比传统的燃油车要大很多,需要较大电流的功率驱动器件,在特斯拉上使用的是碳化硅场效应管(SiC)SiC是与传统的硅材料功率管相对照的新型功率驱动器件。主要优点有工作温度可以更高,达到600度。耐击穿电压好十倍,对于驱动电机这样的感性负载更适用。导通损耗小,开关速率快2倍。它的驱动端易被击穿,驱动需要专门的驱动电路保护以及当前价格较贵是当前使用过程中要充分考虑的因素。

作者: youreneet, 来源:面包板社区

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文章评论6条评论)

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youreneet 2021-9-21 06:45

追忆流年寻梦少年: 电动车都是蓄电池供电,直流电,用三相异步电机,意味着需要直交变换,考虑到充电的交直变换,整个过程是交直交,两次变换,效率影响不知道多大? ...
主要是交流电没有存储方式,基于化学能存储直流电是目前常用做法,有些效率损失也只能接受了。现在应该有95%以上的转换了,但电到化学能,机械能效率低些

追忆流年寻梦少年 2021-9-18 10:32

电动车都是蓄电池供电,直流电,用三相异步电机,意味着需要直交变换,考虑到充电的交直变换,整个过程是交直交,两次变换,效率影响不知道多大?

curton 2021-9-16 16:28

youreneet: 写的时候是因为好奇,所以边学边写,介绍的都是我理解的内容。这块其实也挺深的,要做好这个控制还是有蛮多知识点在这个里面的。 ...
是的啊

自做自受 2021-9-15 22:01

呵呵,“特斯拉在中国建工厂以及采用永磁电机”,这说明了马斯克以特斯拉电动车在中国赚钱用于美国搞航天的用意,吃亏的是中国,中国也愿意,一个愿打一个愿挨。

youreneet 2021-9-15 19:09

curton: 最近也一直在学习这个
写的时候是因为好奇,所以边学边写,介绍的都是我理解的内容。这块其实也挺深的,要做好这个控制还是有蛮多知识点在这个里面的。

curton 2021-9-15 16:44

最近也一直在学习这个
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youreneet 2021-09-17 18:50
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