纯电动轿车驱动系统试验台控制系统设计文献综述

 2021-11-02 08:11

毕业论文课题相关文献综述

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文 献 综 述

课题的背景和意义

内燃机汽车在行驶中会产生大量的废弃污染物。根据调查显示,在中国城市大气污染中,汽车排放的污染物占比超过70%[1]。此外,其主要能源石油,作为不可再生资源,存有量在急剧减少。

在环境污染日益严重,能源供应不断短缺的压力下,电动汽车重新回到了大众视线。现代电动汽车是集汽车技术、电力、电子及计算机技术、机械控制、化工技术、能源与新材料技术于一体的综合产品[2][3],具有无污染、噪声低及节省石油资源的特点[4][5]。世界各地汽车开发生产商都投入了大量资金与人才进行电动汽车的开发。发展纯电动汽车是我国汽车工业新兴产业的重点培养对象,也是我国缩小与发达国家汽车工业水平的历史机遇[6]。现代电动汽车在电池、电机、汽车质量等方面有着很高的要求[7]。与此同时,随着电动汽车的发展,电动汽车驱动系统的相关试验装置也迎来了新的挑战。传统汽车的驱动系统试验平台不能满足电动汽车驱动系统的测试需求。因此,开发出电动汽车驱动系统试验台十分重要[8]。目前国内外对电动汽车的研发方式主要有以下三种:计算机软件仿真研究,室外用实车进行试验和搭建室内试验平台试验[9][10]。搭建室内试验平台能够结合软件仿真和实车试验的优点,为不同的车用设备提供相应的试验条件。电动汽车驱动系统试验平台可以测试关键部件的性能,缩短汽车研发周期,推动电动汽车发展和普及。

常用电动机性能及特点

与工业应用的电机不同,车用电机需要具有高转矩重量比、宽调速范围包括恒转矩区和恒功率区、高可靠性,同时在运行范围内,具有高效率,高能量回收效率等特点[11][12]。目前常用的驱动电机有感应电机、永磁同步电机和开关磁阻电机这几种类型[13]。此外,像轮毂电机这种其他驱动电机系统也引起了大家的兴趣。电动车驱动电机分类如图1所示[14]。

几种常用驱动电机性能比较如表1所示[15]。

几种驱动电机优缺点及应用程度比较如表2所示[16][17][18][19][20][21][22][23]。

电机驱动及其控制技术

电动机及驱动控制系统是电动汽车的关键技术,要使电动汽车具有良好的性能,系统需要具备以下要求[24][25][26]:

① 恒功率输出和高功率密度

② 具有较大的转速调节范围

③ 快速的转矩响应

④ 再生制动时的能量回收效率高

⑤ 低成本,能够在不同的条件下可靠的工作。

常用电动机控制方法及其特点

(ⅰ)直流电机控制系统分类如图2所示。

对直流电机控制一般采用PWM的控制方式[27]。

(ⅱ)感应电动机的控制比直流电动机复杂的多。按转差功率可以把感应电机的调速系统分成三类:①转差功率消耗型调速系统,这类系统结构简单,设备成本低,仍具有一定的应用价值,例如降电压调速。②转差功率馈送型调速系统,此类系统只能用于绕线型感应电动机,设备成本比前一种高,例如绕线电动机双馈调速。③转差功率不变型调速系统,变极对数调速和变压变频调速属于此类。变压变频调速应用最广[28]。在电动汽车交流感应电机驱动系统的电机调速方法中,矢量控制(VC)[29]和直接转矩控制(DTC)[30]是现代研究的热点。近年来还出现了SVPWM控制。SVPWM是基于空间矢量的PWM控制,它通过合成期望电压矢量的方式来实现对输出转矩和转子磁链的控制。它比较容易实现数字化控制,但对处理器运算速度的要求较高。

(ⅲ)永磁同步电机,直接转矩控制直接控制定子磁链与转矩,控制结构简单且受电机参数影响小,自提出以后被广泛地应用在实际中。DTC技术结合空间矢量脉宽调制(SVPWM)技术的应用提高了永磁同步电机转矩和磁链的控制精度[31]。

(ⅳ)开关磁阻电机调速系统是一种新型的变速拖动系统,其调速性能与其他调速系统相比更加优良,它由双凸极的磁阻电机、功率变换器、位置传感器、控制器组成。电机控制一般采用模糊滑模控制方法[32]。

电动汽车试验平台的研究现状

在电动汽车驱动系统试验平台研发初期,研究人员将直流电机用于电动汽车上进行制动能量回收技术的研究[33][34]。惯量模拟方面,传统的方法是用惯性飞轮来进行汽车的启动、制动、加减速时的惯量模拟。目前很多文献提到的多是用于测试驱动电机性能的电动负载模拟系统的研究。在国内有许多电动汽车研究机构或高校用测功机来模拟电动汽车的机械惯量,但这会导致大量电能的浪费。目前还没有比较标准的、通用的测试平台,大多数的试验平台由于都是根据指定类型的产品进行研究设计的,通用性不强。

试验平台的基本结构和模块划分

一个完善的电动汽车驱动系统试验平台总体来说主要由机械部分和上位机测控系统组成。电动汽车驱动系统试验平台除了要求能够模拟电动汽车各种运行工况情况下的负载,而且能够对驱动系统等设备的参数进行测试。电动汽车驱动系统试验平台由电源模块、驱动电机及其控制器、负载模拟模块、数据采集部分和上位机等部分组成。整个试验平台的各个转动部件是通过联轴器连接的,各部件的装拆也比较容易,方便更换不同功率的电机以及不同型号的传感器,能够使试验平台具有较好的通用性。测控系统主要是通过信号检测电路接受传感器的信号送到DSP信号处理芯片进行AD转换,再通过CAN总线将数据上传到上位机界面,实时显示测数据的波形及其保存,从而实现驱动系统的运行状态的实时监测和历史数据的回放。在对试验平台进行控制时,通过上位机测控界面向平台发送指令,指令以数据帧的形式通过CAN总线送到DSP主控芯片,实现对驱动系统以及负载模拟模块的控制[35]。

电动汽车从结构上主要有3个比较重要的部分:主控制器及其逻辑电路、电机及驱动系统、电池和电池管理模块,各个模块之间通过CAN总线连接完成数据与控制命令的传输。试验平台中没有主控制器,它的各项功能主要由工控机来代替。

整个试验台设计过程采用模块化设计方法。因为测试对象电动汽车驱动系统复杂多样,所以该试验台必须具有很强的通用性和扩展性,也就是说不同的测试对象能够共享,当测试对象改变时试验台改变应尽可能小,由于电动汽车还在开发,该试验台还要留有扩展接口。模块化设计满足了上述通用性和扩展性的要求。采用模块化设计的另一个好处是模块与模块之间耦合小,基本上可以独立设计[36]。电动汽车驱动系统试验平台可以分为供电电源模块、驱动电机及其控制器模块、负载模拟模块、上位机测控模块。

参考文献

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