车辆电动技术-电动汽车 第四章 电动驱动系统.ppt

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1、第四章 电机驱动系统北京理工大学林程车辆电动技术4.1电机驱动系统 电机驱动系统是电动汽车的心脏，它的任务是在驾驶员的控制下，高效率地将蓄电池的能量转化为车轮的动能，或者将车轮上的动能反馈到蓄电池中。电气系统电气系统由由电机、功率转换器和电子控制器电机、功率转换器和电子控制器等等三个子系统组成三个子系统组成 机械系统机械系统主要包括主要包括机械传动装置机械传动装置（是可选的）（是可选的）和和车轮车轮 电子控制器分为三个功能单元：传感器、中间连接电路与处理器 电动汽车的电机驱动系统 蓄电池4.1电动汽车的特性要求 驾驶员对电动汽车的驾驶性能要求由包括加速性能、最大车速、爬坡能力、刹车由包括加速性

2、能、最大车速、爬坡能力、刹车性能以及续驶里程等性能在内的驾驶模式决定性能以及续驶里程等性能在内的驾驶模式决定的的车辆的性能约束车型、车重和载重等等车型、车重和载重等等车载能源系统的性能与蓄电池、燃料电池、电容器、飞轮及各种混与蓄电池、燃料电池、电容器、飞轮及各种混合型能源有关合型能源有关 电动车电机的独特性电动汽车驱动电机需要有电动汽车驱动电机需要有4545倍的过载以满足短时加速行驶与最大爬倍的过载以满足短时加速行驶与最大爬坡度的要求；而工业驱动电机只要求有坡度的要求；而工业驱动电机只要求有2 2倍的过载就可以了。倍的过载就可以了。电动汽车驱动电机的最高转速要求达到在公路上巡航时基速的电动汽车

3、驱动电机的最高转速要求达到在公路上巡航时基速的4545倍；倍；而工业驱动电机只要求达到恒功率时基速的两倍。而工业驱动电机只要求达到恒功率时基速的两倍。电动汽车驱动电机应根据车型与驾驶员的驾驶习惯进行设计；而工业电动汽车驱动电机应根据车型与驾驶员的驾驶习惯进行设计；而工业驱动电机通常只根据典型的工作模式进行设计即可。驱动电机通常只根据典型的工作模式进行设计即可。电动汽车驱动电机要求有高的功率密度和好的效率图（在较宽的转速电动汽车驱动电机要求有高的功率密度和好的效率图（在较宽的转速和转矩范围内都有较高的效率），从而能够降低车重，延长续驶里程；和转矩范围内都有较高的效率），从而能够降低车重，延长续驶

4、里程；而工业驱动电机通常对功率密度、效率及成本进行综合考虑，在额定而工业驱动电机通常对功率密度、效率及成本进行综合考虑，在额定工作点附近对效率进行优化。工作点附近对效率进行优化。为使多电机协调运行，要求电动汽车驱动电机可控性高、稳态精度高、为使多电机协调运行，要求电动汽车驱动电机可控性高、稳态精度高、动态性能好；而工业驱动电机只有某一种特定的性能要求。动态性能好；而工业驱动电机只有某一种特定的性能要求。电动汽车驱动电机往往被装在机动车上，空间小，工作在高温、坏天电动汽车驱动电机往往被装在机动车上，空间小，工作在高温、坏天气及频繁振动等的恶劣的工作条件下；而工业驱动电机通常在某个固气及频繁振动等

5、的恶劣的工作条件下；而工业驱动电机通常在某个固定的位置工作。定的位置工作。注意1：单电机或多电机结构 单电机双电机成本较低较高体积笨重分散重量集中分散效率较低较高差速方式机械式电子式单电机或多电机结构注意2：固定速比与可变速比变速传动固定速比可变速比电机额定值较高较低逆变器额定值较高较低成本较低较高体积较小较大重量较低较高效率较高较低可靠性较高较低注意3：有齿轮和无齿轮传动 注意4：系统电压等级 系统电压系统电压所选的电动汽车系统电压等级将大大影响所选的电动汽车系统电压等级将大大影响驱动电机系统的设计。采用合理的高电压电机可减小逆驱动电机系统的设计。采用合理的高电压电机可减小逆变器的成本和体积

6、。如果所需电压过高，则需要串联许变器的成本和体积。如果所需电压过高，则需要串联许多电池，这会引起车内及行李舱空间的减小，车辆的重多电池，这会引起车内及行李舱空间的减小，车辆的重量及成本的增加，以及车辆性能的下降。由于不同的车量及成本的增加，以及车辆性能的下降。由于不同的车型采用不同的系统电压等级，因而电动汽车驱动电机的型采用不同的系统电压等级，因而电动汽车驱动电机的设计需适合于不同的电动汽车。设计需适合于不同的电动汽车。系统电压受蓄电池重量的限制，电池重量约占整车重量系统电压受蓄电池重量的限制，电池重量约占整车重量的的30%30%。实际上，电机的功率越大，所采用的电压等级。实际上，电机的功率越

7、大，所采用的电压等级越高。通用公司的越高。通用公司的EV1EV1所用的所用的102kW102kW的电机采用的电机采用312V312V的的电压，而电压，而RevaReva EV 13kW EV 13kW的电机采用的电机采用48V48V的电压。的电压。注意5：电力驱动系统整合电机与转换器，控制器，变速装置、能源等的整合是最为重要的。电动汽车驱动电机的设计者应充分了解这些部件的特性，然后在给定的条件下设计电机。这与工业驱动电机的设计是不同的，工业驱动电机通常是在标准电源下工作的标准电机。电动汽车驱动电机分类阴影的电机类型表示已经被近代电动汽车采用 电机设计方法基本上有两种主要的方法：电路法与电磁场法

8、。电路法基于等效电路分析，而电磁场法依赖于电磁场分析。电磁场法的优点在于结果较精确，能较好的处理复杂的机械外形及非线性材料，并能较好的确定临界区域。现在有限元方法(FEM)被认为是用作电动汽车电磁场分析的强有力的工具之一。设计电机时需要考虑的基本因素 磁载荷磁载荷通过电机气隙的磁通密度的基本分量通过电机气隙的磁通密度的基本分量的峰值。的峰值。电载荷电载荷电机单位周长上总电流的均方根或单电机单位周长上总电流的均方根或单位周长上的安匝数，单位体积和单位重量的功率位周长上的安匝数，单位体积和单位重量的功率和转矩，单位磁路的磁通密度，转速、转矩和功和转矩，单位磁路的磁通密度，转速、转矩和功率，损失和效

9、率，以及热回路设计和冷却等。率，损失和效率，以及热回路设计和冷却等。关键之处：关键之处：对钢、磁和铜的较好利用，更好的电对钢、磁和铜的较好利用，更好的电磁耦合、电机的几何形状与布局，更好的热设计磁耦合、电机的几何形状与布局，更好的热设计和冷却，了解电机性能的限制，了解电机的几何和冷却，了解电机性能的限制，了解电机的几何形状、尺寸、参数和性能的关系，只有这样，才形状、尺寸、参数和性能的关系，只有这样，才能设计出具有较高的单位重量功率和单位重量转能设计出具有较高的单位重量功率和单位重量转矩以及较好性能的电机。矩以及较好性能的电机。直流驱动电机技术直流电机直流电机，由于励磁绕组的磁场与电枢绕组的磁，

10、由于励磁绕组的磁场与电枢绕组的磁场是垂直分布的，因而其控制原理非常简单。场是垂直分布的，因而其控制原理非常简单。通过用通过用永磁材料永磁材料代替直流电机的励磁绕组，有效代替直流电机的励磁绕组，有效地利用了径向空间，从而可使电机的定子直径大地利用了径向空间，从而可使电机的定子直径大大减小。由于永磁材料的磁导率较小，因而电枢大减小。由于永磁材料的磁导率较小，因而电枢反应减小，互感增加。但有换向器及电刷的维护反应减小，互感增加。但有换向器及电刷的维护问题。问题。技术的进步把技术的进步把无换向器直流电机无换向器直流电机的发展推到了一的发展推到了一个新的时代，它的高效率、高功率密度、低运行个新的时代，它

11、的高效率、高功率密度、低运行成本、更可靠及免维护等性能优于传统的直流电成本、更可靠及免维护等性能优于传统的直流电机机 。感应电机技术由于由于感应电机感应电机的低成本、高可靠性及免维护等特性，因而的低成本、高可靠性及免维护等特性，因而在电动汽车驱动电机领域里，它是应用很广的一种无换向在电动汽车驱动电机领域里，它是应用很广的一种无换向器电机。但传统的器电机。但传统的变频变压变频变压（VVVFVVVF）控制技术等，不能）控制技术等，不能使感应电机满足所要求的驱动性能。主要原因在于它的动使感应电机满足所要求的驱动性能。主要原因在于它的动态模型的非线性。随着微机时代的到来，采用态模型的非线性。随着微机时

12、代的到来，采用矢量控制矢量控制(FOC)(FOC)法控制感应电机可以克服由于其非线性带来的控制法控制感应电机可以克服由于其非线性带来的控制难度，矢量控制也称为解耦控制。不过，采用矢量控制的难度，矢量控制也称为解耦控制。不过，采用矢量控制的电动汽车感应电机在轻载及有限的恒功率工作区域内运行电动汽车感应电机在轻载及有限的恒功率工作区域内运行时时效率较低效率较低。有人提出一种适用于电动汽车感应电机的即时效率优化控有人提出一种适用于电动汽车感应电机的即时效率优化控制方案，该方案能把能耗降低大约制方案，该方案能把能耗降低大约10%10%，并能增加大约，并能增加大约4%4%的再生能量，从而使电动汽车的续驶

13、里程增加的再生能量，从而使电动汽车的续驶里程增加14%14%以以上。另外，人们还开发了一种用于电动汽车感应电机的上。另外，人们还开发了一种用于电动汽车感应电机的电电极变换极变换方案，该方案能有效的把恒功率的转速范围提高到方案，该方案能有效的把恒功率的转速范围提高到基速的四倍以上。基速的四倍以上。永磁同步电机技术用永磁材料代替传统同步电机的励磁绕组，用永磁材料代替传统同步电机的励磁绕组，永磁同步电机永磁同步电机就能去掉传就能去掉传统的电刷、滑环以及励磁绕组的铜损。统的电刷、滑环以及励磁绕组的铜损。永磁同步电机由于采用正弦交流电及无刷结构，也被称为永磁同步电机由于采用正弦交流电及无刷结构，也被称为

14、永磁无刷交永磁无刷交流电机流电机或正弦永磁无刷电机。由于这种电机实质上是同步电机，它们或正弦永磁无刷电机。由于这种电机实质上是同步电机，它们不经电子转换就可以通过正弦交流电或脉宽调制方式使其运行。当永不经电子转换就可以通过正弦交流电或脉宽调制方式使其运行。当永磁体嵌在转子表面时，由于永磁材料的磁导率与空气相似，因而这种磁体嵌在转子表面时，由于永磁材料的磁导率与空气相似，因而这种电机的运行特性与非凸极同步电机一样。如果把永磁体埋入转子的磁电机的运行特性与非凸极同步电机一样。如果把永磁体埋入转子的磁路中，凸极就会产生附加的磁阻转矩，从而使电机的恒功率区域有更路中，凸极就会产生附加的磁阻转矩，从而使

15、电机的恒功率区域有更宽的转速范围。宽的转速范围。如果有意利用转子的凸极，而去掉励磁绕组或永磁体，就可得到如果有意利用转子的凸极，而去掉励磁绕组或永磁体，就可得到同步同步磁阻电机磁阻电机，其结构简单，成本低廉，但输出功率相对较低。和感应电，其结构简单，成本低廉，但输出功率相对较低。和感应电机一样，机一样，永磁同步电机通常也采用矢量控制方法永磁同步电机通常也采用矢量控制方法以满足电动汽车电机以满足电动汽车电机驱动的高性能要求。由于其本身的高能量密度与高效率，它在电动汽驱动的高性能要求。由于其本身的高能量密度与高效率，它在电动汽车的应用领域与感应电机相比有较大的竞争优势。最近，有人提出永车的应用领域

16、与感应电机相比有较大的竞争优势。最近，有人提出永磁同步电机的磁同步电机的自适应控制法自适应控制法，这种控制方法能使电机在整个工作区获，这种控制方法能使电机在整个工作区获得最优的性能。得最优的性能。永磁无刷直流电机技术通过改变永磁直流电机定子和转子的位置，就可得到通过改变永磁直流电机定子和转子的位置，就可得到永磁无刷直流电永磁无刷直流电机机。需注意的是，名称中的。需注意的是，名称中的“直流直流”这个术语可能会引起误解，因为这个术语可能会引起误解，因为它并不是指直流电机。实际上，这种电机采用交流方波供电，因此也它并不是指直流电机。实际上，这种电机采用交流方波供电，因此也称为称为永磁无刷方波电机永磁

17、无刷方波电机。这种电机最明显的好处是去掉了电刷，从而。这种电机最明显的好处是去掉了电刷，从而也排除了由电刷引起的许多问题；另一个优点是能产生较大的转矩，也排除了由电刷引起的许多问题；另一个优点是能产生较大的转矩，因为它的方波电流和磁场是垂直的。而且，这种无刷结构使电枢绕组因为它的方波电流和磁场是垂直的。而且，这种无刷结构使电枢绕组具有更代表性的区域。由于通过整个结构的热传导有了改善，电负荷具有更代表性的区域。由于通过整个结构的热传导有了改善，电负荷的增加可产生的增加可产生更高的功率密度更高的功率密度。与永磁同步电机不同的是，这种永磁。与永磁同步电机不同的是，这种永磁无刷直流电机通常装有转轴位置

18、传感器。无刷直流电机通常装有转轴位置传感器。最近，人们开发了一种用于电动汽车的最近，人们开发了一种用于电动汽车的解耦永磁无刷直流电机解耦永磁无刷直流电机，它具，它具有有很高的功率密度很高的功率密度，转矩不间断，且有较好的动态性能。它也采用先，转矩不间断，且有较好的动态性能。它也采用先进的感应角控制方法来有效地增大它的恒功率转速范围。进的感应角控制方法来有效地增大它的恒功率转速范围。开关磁阻电机技术开关磁阻电机开关磁阻电机应用于电动汽车上具有很大的潜力。它基本应用于电动汽车上具有很大的潜力。它基本上是由单块可变磁阻步进电机直接衍生而来。开关磁阻电上是由单块可变磁阻步进电机直接衍生而来。开关磁阻电

19、机具有结构简单，制造成本低廉，转矩机具有结构简单，制造成本低廉，转矩/转速特性好等优转速特性好等优点，适合于电动汽车驱动。点，适合于电动汽车驱动。虽然它的结构简单，但决不意味着其设计和控制也简单。虽然它的结构简单，但决不意味着其设计和控制也简单。由于其磁极端部的严重磁饱和以及磁极和沟槽的边缘效应，由于其磁极端部的严重磁饱和以及磁极和沟槽的边缘效应，使其设计和控制非常困难和精细。而且，经常引起使其设计和控制非常困难和精细。而且，经常引起噪声噪声问问题。题。最近，有人开发了一种开关磁阻电机的优化设计方法，该最近，有人开发了一种开关磁阻电机的优化设计方法，该方法考虑到极弧、高度及最大磁通密度的限制，

20、用方法考虑到极弧、高度及最大磁通密度的限制，用有限元有限元分析方法分析方法使整个电机的损失达到最小。而且，采用使整个电机的损失达到最小。而且，采用模糊滑模糊滑模控制法模控制法可控制电机的非线性并使噪音达到最小。可控制电机的非线性并使噪音达到最小。永磁混合电机技术最近，一个新的研究方向是开发用于电动汽车的最近，一个新的研究方向是开发用于电动汽车的永磁混合永磁混合电机电机。在原理上，有很多永磁混合电机，人们对其中的三。在原理上，有很多永磁混合电机，人们对其中的三种进行了研究，这三种是永磁和磁阻混合、永磁和磁滞混种进行了研究，这三种是永磁和磁阻混合、永磁和磁滞混合以及永磁和励磁绕组混合等。合以及永磁

21、和励磁绕组混合等。第一种，把永磁体嵌入转子的磁回路中，永磁同步电机同时产生第一种，把永磁体嵌入转子的磁回路中，永磁同步电机同时产生永磁转矩和同步磁阻转矩。另外，如果把永磁体和开关磁阻结构永磁转矩和同步磁阻转矩。另外，如果把永磁体和开关磁阻结构结合起来，就产生了另一种永磁和磁阻混合的电机，这就是所谓结合起来，就产生了另一种永磁和磁阻混合的电机，这就是所谓的的双凸极永磁电机双凸极永磁电机(DSPM)(DSPM)。双凸极永磁电机现在的发展表明它具。双凸极永磁电机现在的发展表明它具有有高效、高功率密度和宽转速范围高效、高功率密度和宽转速范围等优点。等优点。第二种，综合利用永磁转矩和磁滞转矩的新型永磁混

22、合电机，它第二种，综合利用永磁转矩和磁滞转矩的新型永磁混合电机，它把永磁体嵌入磁滞环内表面的槽中，这种把永磁体嵌入磁滞环内表面的槽中，这种磁滞混合电机磁滞混合电机具有具有启动启动转矩高，运行平稳且安静转矩高，运行平稳且安静等独特优点，适用于电动汽车。等独特优点，适用于电动汽车。第三种，把永磁体置于转子内，直流励磁绕组放在内定子上，通第三种，把永磁体置于转子内，直流励磁绕组放在内定子上，通过控制励磁电流的大小和方向，很容易调节电机的气隙磁通，这过控制励磁电流的大小和方向，很容易调节电机的气隙磁通，这样，就容易得到满足电动汽车驱动要求的转矩样，就容易得到满足电动汽车驱动要求的转矩/转速特性。转速特

23、性。各种驱动电机性能比较 直流电机感应电机永磁无刷电机开关磁阻电机永磁混合电机功率密度2.53.553.54效率2.53.553.55可控制性54434可靠性35454成熟性55443成本45343综综合合2226252323 从表中可以看出感应电机相对而言是最容易接受的。如果永磁无刷电机（包括直流和交流）的成本下降，其技术更加成熟时，这种电机将是最受欢迎的。传统的直流电机似乎在失去其竞争力，但开关磁阻电机和永磁混合电机在电动汽车上的应用有更大的发展潜力。电动汽车电机的应用 电动汽车型电动汽车电机菲亚特 Panda Elettra串励直流电机马自达 Bongo并励直流电机Conceptor G

24、-Van他励直流电机铃木高级三轮车永磁直流电机菲亚特Seicento Elettra感应电机福特 Th!nk City感应电机通用 EV1感应电机本田 EV Plus永磁同步式电机尼桑 Altra永磁同步式电机丰田 RAV4永磁同步式电机Chloride Lucas开关磁阻电机电动汽车用功率电子器件电动汽车用功率电子器件在过去几十年里，功率半导体器件技术有了很大的发展。这些功率器件在功率额定值以及性能方面有了革命性的进展。在现有的功率器件中，功率二极管作为自由开关使用，而其它功率器件，如晶闸管、GTO、BJT、MOSFET、IGBT、SIT、SITH、MCT等，都是外部可控的，对高性能的功率器

25、件的研究仍在进行。对电力驱动的功率器件要求额定值额定值额定电压根据蓄电池的名义电压、充电时的最大电压和再生制动时的最大额定电压根据蓄电池的名义电压、充电时的最大电压和再生制动时的最大电压确定，而电流的额定值取决于电机额定功率的峰值以及所并联的功率器件的个数，电压确定，而电流的额定值取决于电机额定功率的峰值以及所并联的功率器件的个数，当这些器件并联时，其导通状态与开关特性必须匹配好；当这些器件并联时，其导通状态与开关特性必须匹配好；转换效率转换效率开关频率较高可减小过滤器的体积并有利于满足电磁干扰限制的要求。开关频率较高可减小过滤器的体积并有利于满足电磁干扰限制的要求。当开关频率高于当开关频率高

26、于20Hz20Hz时，可避免出现噪声；时，可避免出现噪声；功率损失功率损失导通时的压降或损失应降到最小，同时开关损失应尽可能小。由于高的导通时的压降或损失应降到最小，同时开关损失应尽可能小。由于高的开关频率会增加开关损失，开关频率在开关频率会增加开关损失，开关频率在10Hz10Hz时可使能量密度、噪声及电磁干扰同时达时可使能量密度、噪声及电磁干扰同时达到最优。漏电电流应限制在到最优。漏电电流应限制在1mA1mA以内，以使断开状态的损失最小；以内，以使断开状态的损失最小；基极基极/门极的可驱动性门极的可驱动性器件应考虑到简单和安全的基极或门极驱动。相应的驱动信器件应考虑到简单和安全的基极或门极驱

27、动。相应的驱动信号或为触发电压号或为触发电压/电流或为线性电压电流或为线性电压/电流。电流。电压驱动模式能耗非常低，通常被优先采电压驱动模式能耗非常低，通常被优先采用；用；动态特性动态特性器件的动态特性应足够好，以允许有较高的器件的动态特性应足够好，以允许有较高的dv/dtdv/dt和较高的和较高的di/dtdi/dt能力，并能力，并容易进行并联。内部的续流二极管应该和外部的主器件具有相似的动态特性；容易进行并联。内部的续流二极管应该和外部的主器件具有相似的动态特性；坚固坚固功率器件应该有足够的抗过载能力以承受过电压时的巨大能量，并能在过流功率器件应该有足够的抗过载能力以承受过电压时的巨大能量

28、，并能在过流时通过快速熔断半导体保险丝加以保护，它应不用和尽量少用缓冲电路。由于电动汽时通过快速熔断半导体保险丝加以保护，它应不用和尽量少用缓冲电路。由于电动汽车频繁的加速、减速，功率器件会引起频繁的热循环冲击，它应在这种热压条件下可车频繁的加速、减速，功率器件会引起频繁的热循环冲击，它应在这种热压条件下可靠工作；靠工作；成熟性与成本成熟性与成本由于功率器件的成本占整个电动汽车驱动系统的大部分，所以功率由于功率器件的成本占整个电动汽车驱动系统的大部分，所以功率器件应该尽量经济。最近的一些功率器件，比如高能的器件应该尽量经济。最近的一些功率器件，比如高能的MCTMCT等，还不能成熟地应用于等，还

29、不能成熟地应用于电动汽车。电动汽车。各种电动汽车功率器件的比较 GTOBJTMOSFETIGBTMCT额定值54253开关频率12444功率损失23444门极可驱动性23555动态特性23555抗过载能力33555成熟性55442低廉性44442总总和和2427333630电动汽车用功率转换器电动汽车用功率转换器功率转换器技术一般随着功率器件的发展而发展，目的是要达到高功率密度、高效、高可控性和高可靠性。功率转换器可以是同频率的AC-DC 和AC-AC转换，不同频率的AC-AC变换，DC-DC 或DC-AC变换。DC-DC转换器通常称为直流斩波器，而DC-AC变换器通常称为逆变器，它们分别用于

30、电动汽车驱动系统的直流和交流电机。直流斩波器 直流斩波器直流斩波器是在二十世纪六十是在二十世纪六十年代出现的，它用作非自然关年代出现的，它用作非自然关断的半导体闸流管，只限于在断的半导体闸流管，只限于在低频开关下运行。由于快速开低频开关下运行。由于快速开关功率器件的出现，这种斩波关功率器件的出现，这种斩波器现在能在几十甚至几百千赫器现在能在几十甚至几百千赫兹下工作。兹下工作。用于电动汽车驱动时，两象限用于电动汽车驱动时，两象限的直流斩波器是最理想的，因的直流斩波器是最理想的，因为在电机驱动模式下，它能把为在电机驱动模式下，它能把蓄电池的直流电压变换为可变蓄电池的直流电压变换为可变的直流电压，并

31、能在再生制动的直流电压，并能在再生制动时进行能量的反向转换。四象时进行能量的反向转换。四象限的直流斩波器用于直流电机限的直流斩波器用于直流电机的可逆与再生速度控制。四象的可逆与再生速度控制。四象限直流斩波器如图所示。限直流斩波器如图所示。逆变器 逆变器逆变器通常分为电压输入式和通常分为电压输入式和电流输入式。由于需要大量的电流输入式。由于需要大量的电感元件来模拟电流源，所以电感元件来模拟电流源，所以电流供给式逆变器很少用于电电流供给式逆变器很少用于电动汽车驱动。由于电压输入式动汽车驱动。由于电压输入式逆变器很简单且能进行双向能逆变器很简单且能进行双向能量转换，所以电动汽车上几乎量转换，所以电动

32、汽车上几乎只使用这种逆变器。典型的三只使用这种逆变器。典型的三相全桥电压输入式逆变器如图相全桥电压输入式逆变器如图所示。所示。根据不同的需要，它的输出根据不同的需要，它的输出波波形形可以为方波、六步式或是脉可以为方波、六步式或是脉宽调制波形。比如，可以为永宽调制波形。比如，可以为永磁无刷直流电机输出方波，可磁无刷直流电机输出方波，可为感应电机输出六步式波形或为感应电机输出六步式波形或脉宽调制波形。脉宽调制波形。电动汽车逆变器软开关技术电动汽车逆变器软开关技术功率逆变器功率逆变器可用软开关来代替强制式开可用软开关来代替强制式开关。软开关的关键之处在于运用谐振回关。软开关的关键之处在于运用谐振回路

33、来形成电流或电压波形，使功率开关路来形成电流或电压波形，使功率开关器件处于零电压或零电流状态。一般来器件处于零电压或零电流状态。一般来说，软开关逆变器具有以下优点：说，软开关逆变器具有以下优点：由于处于零电压或零电流状态，功率器由于处于零电压或零电流状态，功率器件的开关损失为零，因而效率也高。件的开关损失为零，因而效率也高。由于热消耗低，且无需缓冲，转换器的由于热消耗低，且无需缓冲，转换器的体积和重量都减少了，因而功率密度高。体积和重量都减少了，因而功率密度高。由于采用软开关使开关的压力最小，器由于采用软开关使开关的压力最小，器件的可靠性得到了改善。件的可靠性得到了改善。由于电压谐振脉冲较小，

34、从而使电磁干由于电压谐振脉冲较小，从而使电磁干扰和器件的绝缘性不再成为主要问题。扰和器件的绝缘性不再成为主要问题。由于开关频率很高，所以噪声很小。由于开关频率很高，所以噪声很小。软开关技术的主要缺点在于谐振回路增软开关技术的主要缺点在于谐振回路增加了成本及复杂性。虽然软开关的加了成本及复杂性。虽然软开关的DC-DC-DCDC转变器在开关模式的功率器件中得转变器在开关模式的功率器件中得到了广泛的应用，但它在电动汽车驱动到了广泛的应用，但它在电动汽车驱动系统中的应用发展较慢。由于高效率和系统中的应用发展较慢。由于高效率和高功率密度的功率转换器对电动汽车驱高功率密度的功率转换器对电动汽车驱动是非常理

35、想的，所以适用于电动汽车动是非常理想的，所以适用于电动汽车的软开关功率转换器仍在进一步的发展。的软开关功率转换器仍在进一步的发展。硬开关软开关开关损失严重几乎为零整体效率一般可能稍高热排放要求一般可能稍低硬件数一般多总功率密度一般可能稍高电磁干扰问题严重低电压波动情况严重低调节方案多种有限成熟性成熟发展中成本一般较高软开关式逆变器 虽然在开关模式的电力系统中虽然在开关模式的电力系统中应用了许多软开关式的应用了许多软开关式的DC-DCDC-DC转换器，但这些转换器不能直转换器，但这些转换器不能直接用于驱动电动汽车的直流电接用于驱动电动汽车的直流电机中，因为除了要承受过大电机中，因为除了要承受过大

36、电压和电流外，这些转换器也不压和电流外，这些转换器也不能控制再生制动时的反向能量能控制再生制动时的反向能量流。流。应该指出的是：应该指出的是：对电动汽对电动汽车而言，再生制动是非常重要车而言，再生制动是非常重要的，因为它能有效的延长的，因为它能有效的延长25%25%以上的续驶里程。以上的续驶里程。人们把适用于交流电机（包括人们把适用于交流电机（包括感应电机、永磁无刷电机和永感应电机、永磁无刷电机和永磁混合电机）的软开关式逆变磁混合电机）的软开关式逆变器的发展作为一个新的研究方器的发展作为一个新的研究方向。向。用于电动汽车驱动的软开关逆用于电动汽车驱动的软开关逆变器的变器的研发指标研发指标有许多

37、，如效有许多，如效率高于率高于95%95%，功率密度高于，功率密度高于3.5 3.5 W/cm3W/cm3，开关频率高于，开关频率高于1020kHz1020kHz，dv/dtdv/dt低于低于1000 1000 V/V/s s，零电磁干扰，车辆行驶，零电磁干扰，车辆行驶期间无故障。最近，三角结构期间无故障。最近，三角结构的辅助谐振缓冲逆变器已达到的辅助谐振缓冲逆变器已达到了以上要求，并证明其输出功了以上要求，并证明其输出功率能达到率能达到100kW100kW。微电子器件 现代微电子器件可大体分为现代微电子器件可大体分为微处理器，微控制器，数字信号处理器微处理器，微控制器，数字信号处理器(DSP

38、sDSPs)和和传输机传输机等。等。微处理器技术微处理器技术被认为是微电子技术发展的里程碑，如被认为是微电子技术发展的里程碑，如8086,80186,80286,8086,80186,80286,80386,80486,80386,80486,奔腾，奔腾奔腾，奔腾II II和奔腾和奔腾IIIIII等。微处理器是微机的等。微处理器是微机的CPUCPU，可用来编，可用来编译指令，控制运行行为并执行所有的算法和逻辑运算。不像微处理器，译指令，控制运行行为并执行所有的算法和逻辑运算。不像微处理器，微控微控制器制器如如8096,80196 8096,80196 和和8096080960等，包括所有的资源

39、如等，包括所有的资源如CPU,ROM CPU,ROM 或或EPROM,EPROM,RAM,DMARAM,DMA，计时器，中断源、，计时器，中断源、A/D A/D 和和 D/AD/A转换器及输入转换器及输入/输出接口等，可作输出接口等，可作单机、单片控制器使用。这样，基于电动汽车驱动系统的微处理器具有硬件单机、单片控制器使用。这样，基于电动汽车驱动系统的微处理器具有硬件最少、软件集中等优点。最少、软件集中等优点。数字信号处理器数字信号处理器(DSPsDSPs)，如，如TMS320C30,TMS320C30,TMS320C40 TMS320C40 和和i860i860具有快速计算浮点数据的能力，它

40、可以满足高性能的电具有快速计算浮点数据的能力，它可以满足高性能的电力驱动电机的复杂控制算法的要求。另外，力驱动电机的复杂控制算法的要求。另外，传输机传输机，如，如T400,T800 T400,T800 和和 T9000T9000，是为并行处理特别设计的。通过用多片传输机，任何复杂的控制算法都可，是为并行处理特别设计的。通过用多片传输机，任何复杂的控制算法都可以实现。以实现。通过把微电子器件和功率器件集成到同一芯片上（就像大脑和肌肉的集成），通过把微电子器件和功率器件集成到同一芯片上（就像大脑和肌肉的集成），便成了便成了功率集成电路功率集成电路(PICsPICs)，俗称，俗称“智能功率智能功率”

41、，其目的是进一步减小体积，其目的是进一步减小体积，降低成本并改善其可靠性。降低成本并改善其可靠性。PICPIC可以包含功率模块、控制、保护、信息传递和可以包含功率模块、控制、保护、信息传递和制冷等。制冷等。PICPIC合成存在的主要问题是高电压和低电压器件的绝缘以及冷却问题。合成存在的主要问题是高电压和低电压器件的绝缘以及冷却问题。控制策略 传统的线性控制，如传统的线性控制，如PIDPID，不能满足高性能电机驱动的苛刻要求。近几年，出现了许多，不能满足高性能电机驱动的苛刻要求。近几年，出现了许多先进的控制策略。适用于电机驱动的控制策略的发展现状，包括先进的控制策略。适用于电机驱动的控制策略的发

42、展现状，包括自适应控制，变结构自适应控制，变结构控制，模糊控制和神经网络控制控制，模糊控制和神经网络控制等。等。自适应控制自适应控制包括包括自调节控制自调节控制(STC)(STC)和和模型参考自适应控制模型参考自适应控制(MRAC)(MRAC)。运用运用STCSTC，控制器的，控制器的参数可根据系统参数的变化进行自动调整。关键在于运用一个识别模块来跟踪系统参参数可根据系统参数的变化进行自动调整。关键在于运用一个识别模块来跟踪系统参数的变化，并通过控制器的自调整模块更新控制器的参数，这样就可以获得理想的闭数的变化，并通过控制器的自调整模块更新控制器的参数，这样就可以获得理想的闭环控制性能。环控制

43、性能。运用运用MRACMRAC，输出模型的响应必须跟踪参考模型的响应，而不管系统模，输出模型的响应必须跟踪参考模型的响应，而不管系统模型的参数如何变化，基于利用参考模型和系统输出的差别的自适应算法，控制器的参型的参数如何变化，基于利用参考模型和系统输出的差别的自适应算法，控制器的参数不断加以调整，从而可得到理想的闭环控制性能。现在，数不断加以调整，从而可得到理想的闭环控制性能。现在，MRACMRAC和和STCSTC都已用于电都已用于电动汽车无换向器电机驱动系统中。动汽车无换向器电机驱动系统中。变结构控制变结构控制(VSC)(VSC)最近也应用到电机驱动中与自适应控制进行竞争。最近也应用到电机驱

44、动中与自适应控制进行竞争。运用运用VSCVSC，系统提，系统提供不敏感的参数特性，规定误差动态并简化所执行的操作。根据一系列的开关控制原供不敏感的参数特性，规定误差动态并简化所执行的操作。根据一系列的开关控制原理，系统必须按预先设定的轨道在相平面内运行，而不管系统参数如何变化。理，系统必须按预先设定的轨道在相平面内运行，而不管系统参数如何变化。模糊逻辑和神经网络模糊逻辑和神经网络等新技术最近也被引入电机控制领域。模糊控制实质上是一种语等新技术最近也被引入电机控制领域。模糊控制实质上是一种语言过程，它基于人类行为所使用的先前经验和试探法则。利用神经网络控制言过程，它基于人类行为所使用的先前经验和

45、试探法则。利用神经网络控制(NNC)(NNC)，控，控制器有可能解释系统的动态行为，然后自学并相应的进行自我调整。此外，这种先进制器有可能解释系统的动态行为，然后自学并相应的进行自我调整。此外，这种先进的控制策略还能结合其它控制策略形成的控制策略还能结合其它控制策略形成新的控制模式新的控制模式，比如自适应模糊控制，模糊，比如自适应模糊控制，模糊NNCNNC和模糊和模糊VSCVSC等。在不久的将来，利用人工智能等。在不久的将来，利用人工智能(AI)(AI)的控制器不用人的干预就能进的控制器不用人的干预就能进行系统诊断和错误修正。行系统诊断和错误修正。4.2直流电机 直流电机分为励磁绕组式和永磁式

46、直流电机。前者有励磁绕组且磁场可由直流电流控制，而后者没有励磁绕组且永磁体的磁场是不可控制的。由于技术成熟，控制简单，它们在各种电动汽车驱动系统中有广泛的应用。直流电动机工作原理与结构系统的基本结构 直流电机广泛用于电机驱动系统。直流电机广泛用于电机驱动系统。最早最早的直流电机的直流电机由一串电阻器与电机串联或由一串电阻器与电机串联或并联形成。电机的电压等于电池电压减并联形成。电机的电压等于电池电压减去电阻器上的电压降，并通过运用接触去电阻器上的电压降，并通过运用接触器短路一部分电阻而使电压升高。直流器短路一部分电阻而使电压升高。直流电机的电阻控制的基本结构如图所示，电机的电阻控制的基本结构如

47、图所示，图中，图中，A,B,CA,B,C和和 D D是外部控制接触器。是外部控制接触器。这种系统只适用于在额定转速运行和启这种系统只适用于在额定转速运行和启动时只要求平稳加速的电动汽车驱动系动时只要求平稳加速的电动汽车驱动系统。虽然这种电阻控制方式简单且价廉，统。虽然这种电阻控制方式简单且价廉，但由于大量的能量以热的形式损失了，但由于大量的能量以热的形式损失了，因而其效率很低。另外，它不能进行平因而其效率很低。另外，它不能进行平滑控制，因而运行不平稳。滑控制，因而运行不平稳。随着功率电子器件的迅速发展，电阻控随着功率电子器件的迅速发展，电阻控制方式已被淘汰。制方式已被淘汰。直流斩波控制方式直流

48、斩波控制方式由由于体积小，重量轻，效率高，可控制性于体积小，重量轻，效率高，可控制性好，而且根据所选的加速度，能平稳加好，而且根据所选的加速度，能平稳加速到理想的速度，所以该控制方式在电速到理想的速度，所以该控制方式在电力驱动领域得到了广泛应用。右图显示力驱动领域得到了广泛应用。右图显示出了用于直流电机速度控制的基本的一出了用于直流电机速度控制的基本的一象限直流斩波器。象限直流斩波器。直流电机励磁方式普通励磁绕组直流电机普通励磁绕组直流电机分为他励、串励、分为他励、串励、并励和复励等。没有外部控制时，它们并励和复励等。没有外部控制时，它们在额定电压时的转矩在额定电压时的转矩/转速特性如图所示。

49、转速特性如图所示。他励直流电机他励直流电机，励磁电压和电枢电压可，励磁电压和电枢电压可以互相独立控制，其转矩以互相独立控制，其转矩/转速特性是线转速特性是线性相关的，转速随转矩的增大而减小，性相关的，转速随转矩的增大而减小，转速调节是通过调节电枢回路的电阻来转速调节是通过调节电枢回路的电阻来实现的。实现的。串励直流电机串励直流电机，励磁电流与电枢绕组的，励磁电流与电枢绕组的电流相等，转矩增加伴随着电枢电流的电流相等，转矩增加伴随着电枢电流的增大及磁通的增加，结果，转速下降使增大及磁通的增加，结果，转速下降使电源电压与感应电压保持平衡，转矩与电源电压与感应电压保持平衡，转矩与转速成反比关系。低速

50、时能提供高转矩，转速成反比关系。低速时能提供高转矩，广泛用于传统电动汽车驱动系统广泛用于传统电动汽车驱动系统。大大。大大降低车辆加速与爬坡时的电池消耗。降低车辆加速与爬坡时的电池消耗。并励直流电机并励直流电机，励磁绕组与电枢绕组连，励磁绕组与电枢绕组连接在同一电源上，其特性与他励直流电接在同一电源上，其特性与他励直流电机相似。机相似。复励直流电机复励直流电机，串励绕组磁动势的方向，串励绕组磁动势的方向与并励绕组的相同，其特性界于串励直与并励绕组的相同，其特性界于串励直流电机与并励直流电机之间，取决于串流电机与并励直流电机之间，取决于串励与并励磁场的相对强弱。励与并励磁场的相对强弱。永磁与励磁直