電機(jī)是新能源汽車的三大件之一,它決定了新能源汽車的負(fù)載能力、加速能力、爬坡能力和最高車速,是新能源汽車獲得前進(jìn)動力的核心部件,同時也在一定程度上影響了汽車的整車能耗和續(xù)駛里程。
電機(jī)控制器MCU(MotorControl Unit)是電機(jī)的中央控制樞紐,通過控制算法和策略執(zhí)行多項重要功能,目標(biāo)是使電機(jī)的性能發(fā)揮到最佳狀態(tài),以確保平穩(wěn)高效的駕駛。
那么MCU都需要控制哪些功能呢?
新能源汽車所使用的電機(jī)主要分為兩類,交流異步電機(jī)和永磁同步電機(jī)。
這兩種電機(jī)有一個共同特點,就是都是交流電機(jī)。交流電機(jī)顧名思義,就是必須要使用交流電才能驅(qū)動電機(jī)旋轉(zhuǎn),這與電機(jī)的工作原理有關(guān)。
以國內(nèi)常用的永磁同步電機(jī)為例,通常將永磁體放在轉(zhuǎn)子上,而定子是一個線圈,線圈通電后,也會產(chǎn)生一個磁場。
永磁同步電機(jī)基本原理示意圖
當(dāng)兩個磁場軸線正對著的時候(上圖左),磁場之間有相互吸引力,這個力是徑向的,不會產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。
當(dāng)兩個磁場軸線有一定夾角的時候(上圖中),磁場之間有相互吸引力,但是這個力既有徑向分量,也有切向分量,因此會產(chǎn)生一定的轉(zhuǎn)矩。
當(dāng)兩個磁場軸線垂直的時候(上圖右),磁場之間有相互吸引力,但是這個力主要是切向分量,因此會產(chǎn)生最大的轉(zhuǎn)矩。
實際使用的電機(jī)為三相定子繞組,每個繞組產(chǎn)生的磁通大小與電流成正比!
三相電機(jī)
當(dāng)三個定子線圈按一定的時序和電流大小導(dǎo)通后,就會產(chǎn)生一個合成的旋轉(zhuǎn)磁場,轉(zhuǎn)子永磁體被這個旋轉(zhuǎn)磁場產(chǎn)生的電磁力拉著旋轉(zhuǎn),這就是電機(jī)工作的原理。
但是車輛的動力電池輸出的是直流電,不能用于電機(jī)的控制。所以MCU首先要做的就是把電池提供的直流電(DC)轉(zhuǎn)換為電機(jī)需要的三相交流電(AC)。
在電力電子中,把交流電變換為直流電稱為整流,而把直流電變換為交流電稱為逆變!
所以MCU電機(jī)控制器中需要具備逆變器電路VSI。VSI電路可以從直流電壓源產(chǎn)生交流電流和電壓。
MCU中的DC/AC轉(zhuǎn)換原理框圖
逆變器電路VSI 中最主要的器件是IGBT!
IGBT是Insulate-Gate Bipolar Transistor的縮寫,表示絕緣柵雙極晶體管,它是一種復(fù)合全控型電壓驅(qū)動式功率半導(dǎo)體器件,它與MOSFET場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)功能相似,但是可控制的電壓范圍更高,IGBT的應(yīng)用范圍一般都在耐壓600V以上、電流10A以上、頻率為1kHz以上的區(qū)域。
通常采用6個 IGBT 配置3個半橋來實現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換,如果電機(jī)要求的驅(qū)動電流更大,還可以增加并聯(lián)IGBT的數(shù)量。
用IGBT組成的VSI電路圖
通過6個IGBT的開關(guān)通斷控制,就可以實現(xiàn)永磁同步電機(jī)定子線圈三相輸入電壓的方向、電流的大小和頻率的變化,從而將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟姟?/span>
IGBT在開關(guān)過程中,會產(chǎn)生脈動電流和過電壓,過電壓會對動力電池的輸出電壓造成影響,所以在實際電路中,在IGBT的前端還會并聯(lián)一個電解電容,這個電容就是用于穩(wěn)定母線電壓,承受脈動電流。
用于穩(wěn)壓的電解電容
其中的IGBT除了可以實現(xiàn)DC/AC轉(zhuǎn)換,還可以起到電壓隔離以及保護(hù)的作用。
2.速度、扭矩調(diào)節(jié)
車輛行駛需要加速時,駕駛員會踩下加速踏板,所以MCU的輸入主要來自VCU的加速踏板信號。
速度控制信號流
MCU收到加速踏板信號后,根據(jù)信號大小決定 PWM 脈沖的占空比如何變化,通過PWM信號控制電源開關(guān)IGBT的通斷,產(chǎn)生對應(yīng)的交變電流和磁場,實現(xiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。
速度控制原理框圖
總體過程是MCU從整車控制器VCU獲得整車的需求,從動力電池包獲得電能,經(jīng)過自身逆變器的調(diào)制,獲得控制電機(jī)需要的電流和電壓,提供給電動機(jī),使得電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩滿足整車的要求。
控制的同時也會將傳感器信息(電機(jī)位置、相電流、溫度等),反饋給VCU,以實現(xiàn)精確控制。
電機(jī)轉(zhuǎn)動的形成是由于轉(zhuǎn)子受到電磁力的作用,轉(zhuǎn)速大小主要受到定子磁通變化速度的影響,但是轉(zhuǎn)速大小同時還與力矩有密切的關(guān)系。
轉(zhuǎn)矩(功率)-轉(zhuǎn)速曲線
轉(zhuǎn)矩(功率)-轉(zhuǎn)速曲線是電機(jī)的轉(zhuǎn)矩(功率)隨著轉(zhuǎn)速變化的曲線。從圖中我們可以看出在電機(jī)轉(zhuǎn)速運行范圍內(nèi),隨著轉(zhuǎn)速的升高,分為恒轉(zhuǎn)矩區(qū)和恒功率區(qū)兩部分,兩部分交界轉(zhuǎn)速為基速。
通過力矩轉(zhuǎn)速曲線可知:
基速以下力矩是恒定不變的,功率隨著轉(zhuǎn)速的升高而變大;
基速以上力矩會隨著轉(zhuǎn)速的增加而減小,此時功率已經(jīng)達(dá)到最大, 保持不變。
為什么高速時,力矩會越來越小呢?
這是因為電機(jī)旋轉(zhuǎn)時,定子繞組切割磁力線,本身也會產(chǎn)生反向電動勢,轉(zhuǎn)速越高,反向電動勢越大,而反向電動勢會減小電流,削弱力矩。
根據(jù)這個特性,所以電機(jī)的速度調(diào)節(jié)分為兩個部分,基速以下的恒轉(zhuǎn)矩控制以及基速以上的弱磁控制。
兩種控制方式可以理解為:
在額定轉(zhuǎn)速以下,保持磁通恒定采用變壓/變頻進(jìn)行調(diào)速;
在額定轉(zhuǎn)速以上,保持輸入電壓恒定,采用弱磁繼續(xù)提升電機(jī)轉(zhuǎn)速。
2.1恒壓比調(diào)速
根據(jù)同步電機(jī)的運行原理,當(dāng)電機(jī)的極對數(shù)P確定后,電機(jī)的轉(zhuǎn)速n由供電電源的頻率f決定。電機(jī)轉(zhuǎn)速如下公式所示:
所以只要控制供電電源的頻率f,即可控制電機(jī)運行在不同的轉(zhuǎn)速。
而轉(zhuǎn)矩與電壓/頻率比相關(guān),按恒定電壓/頻率比運行時,最大電磁轉(zhuǎn)矩可以保持不變。
所以在轉(zhuǎn)速升高的同時,要想保持轉(zhuǎn)矩不變,就要升高電壓。
恒壓比調(diào)速的工作特性是保持定子磁通為恒定值,電機(jī)的轉(zhuǎn)速與輸入電壓成正比關(guān)系。
當(dāng)電機(jī)到達(dá)額定轉(zhuǎn)速后,由于耐壓限制不能通過輸入電壓來獲得轉(zhuǎn)速提升,這就需要我們對電機(jī)進(jìn)行弱磁控制進(jìn)而獲得轉(zhuǎn)速繼續(xù)提升。
在實際應(yīng)用中,通常會采用轉(zhuǎn)子位置傳感器檢測定子、轉(zhuǎn)子磁極的相對位置和轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。
知道轉(zhuǎn)子磁極位置后,通過驅(qū)動板控制逆變器IGBT的導(dǎo)通順序和開關(guān)頻率,來實現(xiàn)供電電源頻率的變化,同時也實現(xiàn)了電壓的變化。
V/F具有簡單有效、受電機(jī)參數(shù)影響小的優(yōu)勢,是最常用的電機(jī)調(diào)速方法。
2.2電機(jī)弱磁控制
電機(jī)的反向電動勢是由于定子線圈切割磁力線產(chǎn)生的,要想降低反向電動勢,就要降低磁通強(qiáng)度。
我們知道永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子是由永磁體構(gòu)成,所以它的勵磁磁動勢不能改變,是一個恒定值。
如果想要降低磁通強(qiáng)度只有調(diào)節(jié)定子電流,即增加定子直軸(d軸)去磁電流分量來維持高速運行時電壓的平衡,以達(dá)到弱磁增速的目的。
這里稍微說明一下,q軸方向表示垂直于轉(zhuǎn)子磁場方向,這個方向的磁場是驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)矩最大的方向。
而其它方向的定子磁場,也就是與q軸無關(guān)的為d軸,d軸方向的磁場越大,驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)矩越小。
dq軸是隨轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)的!
永磁同步電機(jī)電壓、電流限制圓
由上圖可見,當(dāng)轉(zhuǎn)速由WA提高至WB時,電壓極限圓會不斷縮小,定子電壓不斷上升。圖中A點對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩為TA,即電機(jī)在轉(zhuǎn)速WA時可以輸出的最大轉(zhuǎn)矩,此時電壓和電流均達(dá)到最大值不能再繼續(xù)增加,所以WA是電機(jī)恒轉(zhuǎn)矩運行時的轉(zhuǎn)折速度,當(dāng)轉(zhuǎn)速大于WA時轉(zhuǎn)矩會隨著轉(zhuǎn)速的上升會逐步減小。
電壓平衡方程如下:
通過上式可知,當(dāng)電壓U達(dá)到極限時,要想讓轉(zhuǎn)速W繼續(xù)上升就要通過調(diào)整id和iq來實現(xiàn)。電流的合成矢量值同樣存在極限,要想增大id就必須減小iq,才能保證電流矢量大小保持不變。
所以弱磁的工作過程就是通過控制逆變器IGBT,使定子電流相位提前,利用定子電樞的磁場去抵消掉一部分永磁磁場,削弱永磁勵磁磁場,讓電機(jī)的反電動勢降低,不至于超過電壓極限,從而達(dá)到弱磁升速的目的。
簡單理解,就是電機(jī)反電動勢太高,太強(qiáng)大,控制器電壓已經(jīng)到了極限,無法繼續(xù)以提升電壓的方式戰(zhàn)勝電機(jī)取得電動電流,那么控制器就使用弱磁,削弱電機(jī),把電機(jī)的反向電動勢拉到比控制器更低的地方,這樣控制器電壓依然比他強(qiáng)大,還是可以形成電動電流。
這個道理就像高鐵一樣,速度越快,風(fēng)阻越大,速度達(dá)到一定程度時就克服不了風(fēng)阻繼續(xù)提速,如果當(dāng)前動力已經(jīng)不能再增大,那就想辦法減小風(fēng)阻。
3.電動和發(fā)電
MCU可以控制電機(jī)正反轉(zhuǎn),電機(jī)正轉(zhuǎn)車輛前進(jìn),電機(jī)反轉(zhuǎn)車輛倒車。
控制器還能在再生制動過程中反向為電池充電。
機(jī)電能量轉(zhuǎn)換
電機(jī)有兩個工作狀態(tài),電動狀態(tài)和發(fā)電狀態(tài)。
電動狀態(tài)就是車輛正常行駛時,電機(jī)將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能,是驅(qū)動的狀態(tài),也是用電的狀態(tài)。
其能量轉(zhuǎn)換的過程是逆變器從電池獲取功率,電池放電;電機(jī)從逆變器獲取電功率,電機(jī)輸出機(jī)械能,電機(jī)扭矩與轉(zhuǎn)速同向,電機(jī)推動車輛,此時功率大于0;
發(fā)電狀態(tài)是在車輛因慣性行駛或被拖動時,電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能,是饋電的狀態(tài)。
發(fā)電狀態(tài)的能量轉(zhuǎn)換過程是車輛帶動電機(jī),電機(jī)力矩與轉(zhuǎn)速反向,軸上輸入機(jī)械能,機(jī)械能通過電機(jī)輸出交流電,逆變器再轉(zhuǎn)為直流電,此時功率小于0.
這里要注意的是,電機(jī)的反向轉(zhuǎn)動并不一定是發(fā)電狀態(tài),比如正常倒車時,電機(jī)是反向,但此時卻是是電動狀態(tài)。
車輛是否為發(fā)電狀態(tài)可以根據(jù)轉(zhuǎn)速與力矩的方向判斷,轉(zhuǎn)速與力矩相反時為發(fā)電狀態(tài)。
比如行駛時踩剎車,此時電機(jī)轉(zhuǎn)速為正向(向前),但是剎車給了它一個反向的力矩(向后),此時就是發(fā)電狀態(tài)。
同樣的道理,倒車時踩剎車和下坡時也是發(fā)電狀態(tài)。
電動狀態(tài)的電能傳輸過程為:電池的電壓進(jìn)到電機(jī)控制器,直流電變成交流電,交流電壓的幅值取決于控制系統(tǒng)內(nèi)部的控制以及對應(yīng)的BUCK電路上工作的PWM占空比。
電動狀態(tài)能量傳輸過程
當(dāng)電機(jī)控制器產(chǎn)生的電壓大于當(dāng)前轉(zhuǎn)速下的電機(jī)空載反電動勢值的電壓,電流是從高電壓的控制器流向電機(jī),形成電動的電流。
在同一個轉(zhuǎn)速下,通過調(diào)節(jié)負(fù)載交流電壓,進(jìn)而在控制器電壓和電機(jī)電壓之間形成不同的壓差(即負(fù)載交流電壓與空載反電勢的壓差),電從控制器流向電機(jī),就可以轉(zhuǎn)化成對應(yīng)的電動電流和轉(zhuǎn)矩了。
發(fā)電狀態(tài)的過程是當(dāng)控制器產(chǎn)生的電壓小于當(dāng)前轉(zhuǎn)速下的電機(jī)空載反電動勢值的電壓時,電流是從電機(jī)流向控制器,然后通過BOOST電路將電流向電池,形成發(fā)電的電流。
發(fā)電狀態(tài)能量傳輸過程
在同一個轉(zhuǎn)速下,通過調(diào)節(jié)控制器的電壓高低,進(jìn)而在電機(jī)和控制器之間形成不同的壓差。發(fā)電狀態(tài)控制的核心就是通過控制控制器電壓小于電機(jī)電壓的差值來形成所需要的發(fā)電性能。
這里的BOOST電路是利用IGBT配合電感電容形成的升壓電路。
所以通過IGBT電路不僅可以把輸入的直流電變成所需要頻率的交流電,也可以把交流電反向轉(zhuǎn)變成直流電。發(fā)電過程中,IGBT也存在兩種狀態(tài),在IGBT不工作時,是整流發(fā)電,在IGBT工作時是BOOST發(fā)電。
小結(jié):
電機(jī)控制器MCU首先要做好電源的直流和交流轉(zhuǎn)換,這是為了控制驅(qū)動交流電機(jī)和電壓反饋充電。在此基礎(chǔ)上,通過控制輸出電壓、電流,來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。此外,MCU還可以實時監(jiān)控電機(jī)的溫度、電流和電壓等關(guān)鍵參數(shù),除了優(yōu)化電機(jī)性能外、還要做好過溫和過載保護(hù)!
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