IGBT在新能源汽車中的應(yīng)用(下)

◆文/山東 劉春暉

(接2020年第9期)

3.永磁磁阻同步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性

高永磁磁阻同步電動(dòng)機(jī)在牽引控制中采用矢量控制方法，在額定轉(zhuǎn)速以下恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，使定子電流相位領(lǐng)先一個(gè)β角，這樣，一方面可增加電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩，另一方面由于β角領(lǐng)先產(chǎn)生的弱薄作用，使電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速點(diǎn)增高，從而增大了電動(dòng)機(jī)在恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的調(diào)速范圍，如β角繼續(xù)增加，電動(dòng)機(jī)將運(yùn)行在恒功率狀態(tài)。永磁磁阻同步電動(dòng)機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)反饋制動(dòng)。圖14所示為永磁磁阻同步電動(dòng)機(jī)的力學(xué)特性曲線。

四、IGBT在永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制中的應(yīng)用

1.永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)

永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)可以看作是一臺(tái)用電子換向裝置取代機(jī)械換向的直流電動(dòng)機(jī)，永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)主要由永磁電動(dòng)機(jī)本體、轉(zhuǎn)子位置傳感器和電子換向電路組成。無(wú)論是結(jié)構(gòu)或控制方式，永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)與傳統(tǒng)的直流電動(dòng)機(jī)都有很多相似之處：用裝有永磁體的轉(zhuǎn)子取代有刷直流電動(dòng)機(jī)的定子磁極；用具有多相繞組的定子取代電樞；用由固態(tài)逆變器和軸位置檢測(cè)器組成的電子換向器取代機(jī)械換向器和電刷。

圖14 永磁磁阻同步電動(dòng)機(jī)的力學(xué)特性曲線

2.永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)

永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的基本控制系統(tǒng)由直流電源、電容器、三相絕緣柵雙極晶體管逆變器、永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)(PMBDC)、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸位置檢測(cè)器(PS)、邏輯控制單元120°導(dǎo)通寬脈寬調(diào)制信號(hào)(PWM)發(fā)生器驅(qū)動(dòng)電路和其他一些電子器件共同組成。

轉(zhuǎn)軸位置檢測(cè)器檢測(cè)轉(zhuǎn)軸位置的信號(hào)，經(jīng)過(guò)位置信號(hào)處理，將信號(hào)輸送到邏輯控制單元，碼盤(pán)檢測(cè)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，經(jīng)過(guò)速度反饋單元和速度調(diào)節(jié)器對(duì)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行判別，將信號(hào)輸送到邏輯控制單元，經(jīng)過(guò)邏輯控制單元計(jì)算后，將控制信號(hào)傳送到PWM發(fā)生器。

電流檢測(cè)器按照閉環(huán)控制方式，將反饋電流進(jìn)行綜合，經(jīng)過(guò)電流調(diào)節(jié)器調(diào)控，也將電流信號(hào)輸入PWM發(fā)生器。

由轉(zhuǎn)軸位置檢測(cè)器根據(jù)轉(zhuǎn)角θ和速度調(diào)節(jié)器，對(duì)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行判別，共同發(fā)出轉(zhuǎn)子位置的信號(hào)DA、DB、DC，以及電流檢測(cè)器對(duì)電流的調(diào)控信號(hào)，共同輸入PWM發(fā)生器后，產(chǎn)生脈寬調(diào)制的信號(hào)，通過(guò)自動(dòng)換流來(lái)改變定子繞組的供電頻率和電流的大小，控制逆變器的功率開(kāi)關(guān)元件的導(dǎo)通規(guī)律。如圖15所示，逆變器的功率開(kāi)關(guān)由上半橋開(kāi)關(guān)元件S1～S3和下半橋開(kāi)關(guān)元件S4～S6組成，在同一時(shí)刻只有處于不同橋臂上的一個(gè)開(kāi)關(guān)元件IGBT被導(dǎo)通(例如S1和S6)，電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩T與開(kāi)關(guān)元件導(dǎo)通的電流成正比。

五、IGBT在驅(qū)動(dòng)變速系統(tǒng)中的應(yīng)用

通過(guò)驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作狀態(tài)可以了解新能源汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的基本功能，根據(jù)駕駛員意愿驅(qū)動(dòng)電機(jī)的工作狀態(tài)：掛D擋加速行駛時(shí)、減速制動(dòng)時(shí)、掛R擋倒車時(shí)以及E擋行駛時(shí)來(lái)了解它的工作過(guò)程。

1.D擋加速行駛

駕駛員掛D擋并踩加速踏板，此時(shí)擋位信息和加速信息通過(guò)信號(hào)線傳遞給整車控制器VCU，VCU把駕駛員的操作意圖通過(guò)CAN線傳遞給驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器MCU，再由驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器MCU結(jié)合旋變傳感器信息(轉(zhuǎn)子位置)，進(jìn)而向永磁同步電動(dòng)機(jī)的定子通入三相交流電，三相電流在定子繞組的電阻上產(chǎn)生電壓降。由三相交流電產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)電樞磁動(dòng)勢(shì)及建立的電樞磁場(chǎng)，一方面切割定子繞組，并在定子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；另一方面以電磁力拖動(dòng)轉(zhuǎn)子以同步轉(zhuǎn)速正向旋轉(zhuǎn)。隨著加速踏板行程不斷加大，電機(jī)控制器控制的6個(gè)IGBT導(dǎo)通頻率上升，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩隨著電流的增加而增加，因此，起步時(shí)基本上擁有最大的轉(zhuǎn)矩。隨著電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，電動(dòng)機(jī)的功率也增加，同時(shí)電壓也隨之增加。在電動(dòng)汽車上，一般要求電動(dòng)機(jī)的輸出功率保持恒定，即電動(dòng)機(jī)的輸出功率不隨轉(zhuǎn)速增加而變化，這要求在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速增加時(shí)，電壓保持恒定。

與此同時(shí)，電機(jī)控制器也會(huì)通過(guò)電流傳感器和電壓傳感器，感知電機(jī)當(dāng)前功率、消耗電流大小、電壓大小，并把這些信息數(shù)據(jù)通過(guò)CAN網(wǎng)絡(luò)傳送給儀表、整車控制器，其具體工作原理如圖16所示。

2.R擋倒車時(shí)

當(dāng)駕駛員掛R擋時(shí)，駕駛員請(qǐng)求信號(hào)發(fā)給VCU，再通過(guò)CAN線發(fā)送給MCU，此時(shí)MCU結(jié)合當(dāng)前轉(zhuǎn)子位置(旋變傳感器)信息，通過(guò)改變IGBT模塊改變W/V/U通電順序，進(jìn)而控制電機(jī)反轉(zhuǎn)。

圖15 永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制策略

圖16 D擋工作原理

3.制動(dòng)時(shí)能量回收

駕駛員松開(kāi)加速踏板時(shí)，電機(jī)由于慣性仍在旋轉(zhuǎn)，設(shè)車輪轉(zhuǎn)速為V輪、電機(jī)轉(zhuǎn)速為V電機(jī)，設(shè)車輪與電機(jī)之間固定傳動(dòng)比為K，當(dāng)車輛減速時(shí)，V輪K＜V電機(jī)時(shí)，電機(jī)仍是動(dòng)力源，隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速下降，當(dāng)V輪K＞V電機(jī)時(shí)，此時(shí)電機(jī)由于被車輛拖動(dòng)而旋轉(zhuǎn)，此時(shí)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)變?yōu)榘l(fā)電機(jī)(圖17)。

BMS可以根據(jù)電池充電特性曲線(充電電流、電壓變化曲線與電池容量的關(guān)系)和采集電池溫度等參數(shù)計(jì)算出相應(yīng)的允許最大充電電流。MCU根據(jù)電池允許最大充電電流，通過(guò)控制IGBT模塊，使“發(fā)電機(jī)”定子線圈旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)角速度與電機(jī)轉(zhuǎn)子角速度保持到發(fā)電電流不超過(guò)允許最大充電電流，以調(diào)整發(fā)電機(jī)向蓄電池充電的電流，同時(shí)這也控制了車輛的減速度，具體過(guò)程如圖18所示。

圖17 驅(qū)動(dòng)電機(jī)變?yōu)榘l(fā)電機(jī)

當(dāng)踩下制動(dòng)踏板時(shí)，MCU輸出的電流頻率會(huì)急劇下降，饋能電流在MCU的調(diào)節(jié)下充入高壓電池，當(dāng)IGBT全部關(guān)閉時(shí)在當(dāng)前的反拖速度和模式下為最大饋能狀態(tài)，此時(shí)MCU對(duì)“發(fā)電機(jī)”沒(méi)有實(shí)施速度和電流的調(diào)整，“發(fā)電機(jī)”所發(fā)的電量全部轉(zhuǎn)移給蓄電池，由于發(fā)電機(jī)負(fù)載較大，此時(shí)車輛減速也較快。在此期間能量回收的原則是：①電池包溫度低于5℃時(shí)，能量不回收；②單體電壓在4.05～4.12V時(shí)，能量回收6.1kW，單體電壓超過(guò)4.12V時(shí)，能量不回收，低于4.05V時(shí)，能量滿反饋；③SOC大于95%、車速低于30km/h時(shí)沒(méi)有能量回收功能，且能量回收及輔助制動(dòng)力大小與車速和制動(dòng)踏板行程相關(guān)。

圖18 反向電流的施加

4.E擋行駛時(shí)

E擋為能量回收擋，在車輛正常行駛時(shí)E擋與D擋的根本區(qū)別在于MCU和VCU內(nèi)部程序、控制策略不同。在加速行駛時(shí)E擋相對(duì)于D擋來(lái)說(shuō)提速較為平緩，蓄電池放電電流也較為平緩，目的是盡可能節(jié)省電量以延長(zhǎng)行駛距離，而D擋提速較為靈敏，響應(yīng)較快。在松開(kāi)加速踏板時(shí)，E擋更注重于能量回收，驅(qū)動(dòng)電機(jī)被車輪反拖發(fā)電時(shí)所需的“機(jī)械能”牽制了車輛的滑行，從而也起到了一定的制動(dòng)效果，所以E擋行車時(shí)車輛的滑行距離比D擋短。 (全文完)