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变频器在电动汽车中的应用

时间:2018-06-14

随着变频器技术的不断发展成熟,还有节能需求与城市环保的呼声中,电动汽车,特别是城市公交混合动力电动汽车得到迅速发展,汽车驱动用变频器成为汽车动力系统的未来趋势。

电动汽车驱动方式主要有直流(有刷)电机驱动系统,异步电机驱动系统,直流无刷电机驱动系统,永磁同步电机驱动系统和开关磁阻电机驱动系统。

各种驱动系统中变频器的控制方法因电机不同而各异,驱动系统的特性也各有其优点和不足。笼型异步电机用于电动汽车驱动,具有结构简单,坚固耐用,成本低廉,运行可靠,转矩脉动低,噪声低,转速极限高等到优点,加之其调速控制技术比较成熟,因而相对直流有刷电机驱动系统有比较明显的优势。

而永磁无刷直流电动机系统具有更高的效率和功率密度,其矢量变频调速控制技术也逐渐成熟,能量回馈也更加简便,适合于电动汽车的驱动控制。但也存在成本较高,功率容量较小,易产生噪声各转矩波动,最高转速因电动势而受限等问题。

汽车驱动用变频器的设计或选型必须考虑电动汽车的特殊情况。电动汽车电源是蓄电池,蓄电池供电的特点是电压波动大,内阻大。以一组锂离子电池为例,其开路电压随其放电率可以从400V降到320V;当负荷输出为80KW时,在常温下,端电压将降至266V。

在低温时,电池容量将会降低,内阻0°C时的电阻比25°C时大2倍多。因此低温运行时,电压还会进一步降低。

因此,逆变器设计时,必须考虑在这样的直流电源波动下仍能输出最大所需的逆变电压及功率。同时要研究一些能使变频器输出电压得以提高PWM技术。比如应用三次谐波叠加技术,就可获得比常规的PWM技术高约15%的输出电压。

此外,还有3个问题应在设计时加以注意并采取相应措施:

一是在低电池电压下,要把蓄电池的全部能量都用上时,要有输出功率的限制措施;二是在电池满充电时,特别是在低温下,对再生制动转矩要加以限制,以防止引起大的电压升高;三是要考虑到电池的充放寿命周期对电池的功率及内阻造成的影响。即使是使用锂离子电池,在1000次充放电周期之后,电池容量也会降到80%。

对于车辆驱动用交流电机的变频控制方案,目前国内外普遍采用的是VVVF(恒压频比)和DTC(直接转矩控制)。恒压频比控制的优点是控制简单,容易实现。缺点是属于开环控制方式,动态性能不好,电源电压利用率低,在用于同步机时容易因突加负载或转速指令突变而发生失步现象。

直接转矩控制(DTC),通过检测到的定子电压和电流,借助瞬时空间矢量理论计算电机的转矩和磁链,并根据与给定值比较得到的差值,实现磁链和转矩的直接控制。DTC控制提出的主要应用场合就是牵引车控制,在转矩脉动和控制精度要求低的场合也能满足系统性能要求,如输出扭矩,动态响应。但是对于系统控制性能指标要求高的DTC控制仍需要进一步研究。

矢量控制技术作为交流异步电机控制的一种方式,已成为高性能变频调速系统的首选方案。



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