谈谈新能源混合动力车辆— 电驱动关键技术(4)

在新能源汽车领域中，混合动力汽车是由传统燃油车过渡到燃料电池汽车的必经之路，而对混合动力汽车的研究至关重要，无论是国内的上汽、比亚迪、长城、吉利，还是国外的丰田、本田、通用等都有相应的混动产品来满足日益严格的排放和油耗法规要求。

因此，对混合动力车辆电驱动系统的研究尤为重要，特别是动力总成以及附属部件的关键技术，接下来，会对电驱动系统中的电机和电池技术做一个全方位的介绍，让大家对混合动力系统的电驱动系核心部件：电机和电池有更加深入的理解和认识。

在前面3讲中，对混合动力车辆的驱动电机进行了整体介绍，大家对电机本体结构及相关知识也有了一个全方位的认识，下面会对电机系统的驱动技术进行详细介绍。

首先，介绍电机驱动系统的一般组成，特点如下：

1、电机驱动系统包括电力电子变换器以及相应的控制器；

2、电力电子变换器由固态器件组成，主要作用是将大量能量从电源传递给电机输入端；

3、控制器通常由微控制器或数字信号处理器和相关的小信号电子电路组成，主要作用是处理信息和产生电力变换器半导体开关器件所需切换信号；

4、功率变换器包括直流变换器和交流变换器，直流变换器用于驱动直流电机，交流变换器用于驱动交流电机；功率变化器是由大功率、快速响应的半导体器件组成；

5、电机驱动系统的电力电子电路中的固态器件的作用是作为通或断的电子开关将恒定电压变换为可变频、可变压的电源；

6、所有的功率器件都有一个控制输入门极，功率器件根据控制器输出的控制信号导通或者关断。

下图为电机驱动系统框图：

电机驱动系统整体框图

很显然，上图表示电机驱动系统主要部件、储能装置以及电机之间的关系。

有了电机驱动系统整体框图作为铺垫，接下来，分析直流驱动系统。

直流驱动系统的整体控制体系与上图非常类似，有以下核心的系统原理：

1、两象限斩波器原理；

2、开环驱动系统。

首先看下两象限斩波器原理，如下图所示：

两象限斩波器的工作原理

由上图可知，两象限斩波器工作原理①：

1、两象限斩波器使用单向电压源可以实现电流和功率的双向流动；

2、在第一象限运行时，晶体管Q1导通，电流和功率从电池流向电机，此时，电机两端的电压和流过的电流均大于等于0，同时，晶体管Q2始终保持断开状态，电流为0；

3、当Q1断开时，由于电流是连续的，所以D2导通，当车辆加速或者保持恒速时，运行在第一象限，且斩波器运行模式在高和低之间进行切换；

4、电机驱动系统包括电力电子变换器以及相应的控制器。

此外，双向功率流如下图所示：

双向功率流示意图

从双向功率流可以进一步得出输出电压、Q1基极驱动电流以及电机电流的关系，如下图所示：

输 出电压、Q1基极驱动电流以及电机电流

由上图可知，两象限斩波器工作原理②：

1、晶体管Q1以固定的斩波频率导通与截止，确保直流电机能够输出所需的电流与转矩；

2、根据滤波要求，设定开关的相应周期，以确保可以输出平滑的电流和转矩，占空比决定了车辆控制器外环输出转矩的大小，同时决定了晶体管Q1导通的时间；

3、控制Q1导通的信号是d的函数，假定开关处于理想状态，电机的输入电压也是d的函数，可允许两种开关状态的电路结构能够分析驱动系统的稳定状态。

综上，采用两象限斩波器，当车辆进行加速时，功率和电流由电流向电机，根据车辆需求转矩的大小，电流可以是连续的，也可以是断续的，但电流的平均值是一个非零的正值，根据电流是否连续，两象限斩波器运行模式可以分为两种情况：连续导通模式和断续导通模式。

而无论哪种模式下，都或多或少存在电机电枢电路的波动，因此，为了较少电枢电流的波动，可以采取以下两种方法：

1、在电枢回路中串联一个阻抗；

2、提高斩波器开关频率。

对于第一种方法，在电枢回路中串联一个电感，可以使电气时间常数变大，与此同时，由于实际电感有串联电阻，增加了电枢绕组的铜损耗，因此电气时间常数的变大会导致电气响应时间的边长。

对于第二种方法，提高斩波器的开关频率，也就是减少周期，同样也可以减小电枢电流波动，开关频率的上限取决于所使用的开关器件，此外，开关频率还必须小于控制器的计算频率，较高的开关频率将增加功率器件的开关损耗。

在了解了两象限斩波器工作原理后，我们再来看下开环驱动系统，如下图所示：

双向功率流开环驱动系统示意图

上图表示开环驱动系统能进行稳态分析并减小电枢电流波动，同时满足车辆不同工况下要求。

对于开关驱动系统结合上图，主要特点如下：

1、采用两象限斩波器，当车辆进行加速时，功率和电流由电池向电机；

2、根据电流是否连续，两象限斩波器运行模式可以分为两种情况，分别是连续导通模式和断续导通模式。

对环路应用基尔霍夫电压定律得：

关键参数：

Ia为电枢电流；E为反电动势；R为电阻。

从开环驱动系统可以看出，使用电机来驱动车辆的一个巨大优势是在车辆制动时利用再生制动可以提升燃油经济性，也就是节能。再生制动时，车辆轮胎转动的动能可以经由电力变换器传递给车载动力电池或者其他储能装置；对于两象限斩波器来说，每个周期再生制动回收的能量是占空比的函数，因此，纯电动汽车或者混合动力汽车的实际占空比和踏板角度是呈现非线性关系的，因此，通过简化假设模型，可以加深对直流驱动系统原理的理解。

以上为笔者本次分享的内容，在下一讲中会接着对电机驱动系统中的交流驱动系统进行详细深入讲解。

未完待续！

原文作者：SOA开发者

原文链接：https://blog.51cto.com/u_15357546/4848453