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优化电机控制方案,48V电驱系统获得新生

2019-09-03 16:06
LY说新能源
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电动车电控的本质是电机控制,本文采用工业上常用的星三角启动等原理优化电动车控制,使得48V电驱系统能够成为10~72KW电机驱动功率的主要形式。保证了整车性能,同时也使小型车、微型车的电驱成本大幅降低进而降低整车售价。

优化电机控制方案,48V电驱系统获得新生

在最近的学习中,认识到电动车的控制其实根本上就电机的控制。由于本文涉及的知识面非常广泛而细致,如果完全详细讲述其中原理及优化电机控制方案的过程,按目前作者阅读的课本,其知识点足够出一本超过100页,十万字以上的专著论述。为了让自媒体上的读者能够在数千字的范围内了解并掌握这样的优化方法。本文将采用具体实例来讲述优化电动车电机方案的过程。

这里讲述的实例是以宝骏E100、北汽EC3、比亚迪E2为原型。只需要关系这两个车型的如下参数,并只优化电机控制,将其优化成48V/144V直流双电压电池系统,交流33V/99V双电压电机和一套电机驱动器。其中电机驱动器的电力电子系统是整个优化方案的关键,作者正在细致深入地学习。

优化电机控制方案,48V电驱系统获得新生

也就是说宝骏E100、北汽EC3、比亚迪E2的电机只需要优化成29~70KW的电动机控制系统即可。这分别是A00微型车、A0小型车,A紧凑型纯电动车的代表。本文将会通过工业三相异步电动机的控制方式,将其进行星三角,V/F+DTC这三种三相异步感应电动机控制应用到电动车电机控制上。

限于篇幅本文不会对星三角等原理进行说明。我们先从工业电机控制中常见的电机功率开始了解,常用的380V三相异步电动机是0.18~315KW,小功率是Y接法,中功率是△接法,大功率是380/660V电机。通常300KW以上是以660V电机为主,并不是300KW以上电机不能使用380V,而是其经济性不好。而限制电机及控制电路经济性的是电流。通常1平方毫米可以通过6A电流,三相异步感应电动机一旦设计好了,其电机绕组线缆就确定好了。也就是通过的电流就确定了。而从工业电机角度来看,500A是其经济性的较大值。

回到电动车电机,48V电池系统的PWM三相电压是33V。如果使用工业电机的经济性电流500A,48V电动车经济性的较大值三相感应电机是27KW左右。同时考虑车辆动力特性,其达到较大值电流的时间非常短,通常不会超过数分钟,也就是说27KW是可以做成过载工况。通常过载工况是正常工况的2~3倍。即正常工况为9~13.5KW。

如果我们只从电压等级、电流容量匹配的情况来看。48V系统只能是30KW以内作为驱动效率是较佳工况。

然而,三相异步电动机存在很多的控制方式,电动车是一个宽泛调速范围(几乎是0~100%),力矩控制范围(也几乎是0~100%)。在苛刻的运行工况下,目前电动车主要采用VF或DTC控制。如果引入星三角控制,可能会造成一种意想不到的效果。

在工业控制中星三角控制电压成1.732倍,这是巧合而非原理上的。48V系统不升压PWM调频成交流是33V,按工业电机电压等级设计电机是57V。但我们将星三角控制电压等级调成3倍,也就是9的开方。那么会是99V。

也就是说,将电机设计成△接法99V,Y接法33V的交流三相异步电动机可以会在经济性较好的工况下获得20~72KW功率范围内电机速度调速0~100%(通常电机最高转速是12000RPM),转矩调控0~100%,调频0~400Hz的方案。

优化电机控制方案,48V电驱系统获得新生

如果这样的优化方案能够实现,那么A级车,及微小型车都能够通过一个电机获得很好的性能。我们知道一套48V电机系统(峰值30KW以内)成本在5000元左右,本文的优化方案其成本未知,但并未增加材料,只是从控制方式上做出改变,引入了双电压等级。其成本增加也是可控的。

当然,这样的控制方案也会出现很多新的问题,最大的问题是电机设计、驱动器设计、高压电池组充放电特性要求非常高等等。这些问题都可控并已有方案,比如电机设计可以通过调整高低压电压等级比解决。后续的文章中我们一起探讨。

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