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车用电机控制器的用途及其功能特点

文章出处:网责任编辑:作者:人气:-发表时间:2018-03-15 09:35:00【

 随着新能源汽车和混合动力汽车的发展,电力电子在汽车上有了用武之地。目前行业里面,车用的电机大多数都是永磁同步电机,也有异步电机(Tesla)、无刷直流电机和有刷直流电机,电机均需要电机控制器进行转矩、转速控制。这里主要讲讲我最熟悉的永磁同步电机控制器,以后有机会再讲讲电机。由于汽车的特殊用途,车用电机控制器有着区别于普通变频器的特点。下面靠谱网络彩票平台代理小编给大家讲讲车用电机控制器的用途及其功能特点。

 

车用电机控制器

 

  车用电机控制器高性能

  汽车的低速起步需要较大的启动转矩,汽车的高速巡航需要宽范围的功率区。这两个特点就要求控制器在低速时具有高过载能力(通常为额定电流的2倍以上),高速时能有较宽的弱磁恒功能力

  车用电机控制器高转矩

  较大的启动转矩,就要求控制器在低速时能输出较大的电流。大家都知道,低速时对应的电流频率也很低,频率很低带来的问题就是某一个功率器件(IGBT或二极管)会发热的时间较长,热应力会大大增加,会损坏器件或降低器件的寿命。极端的情况是,汽车在开上马路牙子时,司机会猛踩油门,但车基本不会动,这种电机堵转的工况,控制器基本输出的是直流,电流持续流过某一个器件,热设计时需要全面评估。

  车用电机控制器宽转速

  较高的转速范围,就要求驱动系统有较宽的恒功率区,从而要求控制器有较强的弱磁能力。因为永磁体的磁场是基本恒定的,随着转速的升高,反电动势越来越大,当其值高于电池电压后,控制器就会失控,所以需要用弱磁电流将电压控制在可控范围内。简单的弱磁就是发现电压升高后,增加弱磁电流,电压就会被压下去。但是对于车用永磁电机来说,随着转速的升高,弱磁电流增加到一定值后,再增加弱磁电流反而没有用了。此时弱磁电流减小,电压反而能控制住。这个特点简直反人类……这就产生了所谓的MTPV(Maximum Torque Per Voltage)控制策略,下图中的H到E这一段。

  车用电机控制器高效率

  新能源汽车的能量来源都很宝贵,驱动系统的效率直接影响了续航里程,所以要求驱动系统的高效率,也即每一度电尽可能跑远一点。目前行业里面,峰值效率都标到了95%,高于80%效率的区域都多于90%,不知道这里面有多少水分。下图红色区域就是高效区,一般电机设计时会通过优化,把高效区设计到车辆行驶最经常运行的区域,峰值效率一般也出现在这个区域的中心。在低速和高速段,效率都不高;在高转矩段,效率也不高。电机设计好了,其效率区就基本确定了,控制器需要将其控制在最优点。所谓的最优点,就是驱动系统转矩输出满足司机给定的转矩指令前提下,尽量减小驱动系统的损耗。传统的优化方向,就是在同样的转矩输出下,输出最小的电流。但电流仅仅影响的是铜损,电机损耗还有铁损、机械损耗,控制器还有开关损耗和导通损耗,如果把这些都考虑进去,工作量相当大。

  车用电机控制器电机的非线性

  车用永磁电机都是凸极电机,而不是表贴电机。下图的蓝色槽里面,就是装永磁体的地方。凸极电机最大特点就是D轴电感小于Q轴电感,所以转矩不止跟Q轴电流有关,D轴电流也会影响转矩,所以有MTPA(Maximum Torque per Ampere)控制策略。

  DQ轴电感不相等也就罢了,DQ轴电感还非线性。由于磁饱和的影响,DQ轴电感随着电流的增加,还会减小。Q轴电感的变化最明显,变化从1到1/2左右。下图的红线是Q轴电感,蓝线是D轴电感。

  另外,和教科书上不一样的是,DQ轴的电感还不解耦。也就是随着D轴电流的变化,会影响Q轴磁场,同样Q轴电流也会影响D轴磁场。虽然DQ轴互感和自感相比小很多,但也是一个不可控因素啊。

  电机的磁场会随着电机温度的增加而减小,通常和常温下有10%到20%左右的衰减,这也会影响电机的出力。

  电机的电阻会随电机温度的增加而增加,会造成电阻的压降变大。

  环境

  车每天在外面跑,面对的环境各式各样。高温、低温、高湿、盐雾、海拔、震动,每一样都是在设计阶段需要考虑,后期需要反复验证的。前两年,北京下大雨,如果这种情况下,电动汽车在立交桥下被水淹了怎么办?所以控制器和电机有IP67的要求,就是在水下泡着,一样能工作。

  安全

  上面所说的都是只实现基本功能,汽车行业还有安全需求。产品质量好,可靠性高,并不意味着安全。因为哪怕你有那么一丝坏的概率,就可能会造成车毁人亡的惨剧。汽车行业的安全,就是你需要考虑到所有的可能风险,并对这些风险进行评估,并采集积极有效的措施,对这些可能的后果规避。就是如果失效发生了,也有安全机制避免造成不良后果。这就需要在软硬件设计上,大量的考虑,工作相当复杂。这方面有ISO26262标准进行指导。

  举个例子,考虑到安全和风险,车用电机控制器的架构会分为三层。Level1是功能实现层,实现基本的电机控制功能。Level2是功能监控层,监控level1的执行过程和结果,如果发现结果不对,就采取故障保护措施。Level3是控制器监控层,其物理上(芯片、时钟)完全独立于功能控制器,其监控功能控制器是否正常工作,如果发现功能控制器失控,将采取独立的故障保护措施。