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变频器在电动汽车中的应用

随着变频器技术的不断发展成熟,还有节能需求与城市环保的呼声中,电动汽车,特别是城市公交混合动力电动汽车得到迅速发展,汽车驱动用变频器成为汽车动力系统的未来趋势。

电动汽车驱动方式主要有直流(有刷)电机驱动系统,异步电机驱动系统,直流无刷电机驱动系统,永磁同步电机驱动系统和开关磁阻电机驱动系统。

各种驱动系统中变频器的控制方法因电机不同而各异,驱动系统的特性也各有其优点和不足。笼型异步电机用于电动汽车驱动,具有结构简单,坚固耐用,成本低廉,运行可靠,转矩脉动低,噪声低,转速极限高等到优点,加之其调速控制技术比较成熟,因而相对直流有刷电机驱动系统有比较明显的优势。

而永磁无刷直流电动机系统具有更高的效率和功率密度,其矢量变频调速控制技术也逐渐成熟,能量回馈也更加简便,适合于电动汽车的驱动控制。但也存在成本较高,功率容量较小,易产生噪声各转矩波动,转速因电动势而受限等问题。

汽车驱动用变频器的设计或选型考虑电动汽车的特殊情况。电动汽车电源是蓄电池,蓄电池供电的特点是电压波动大,内阻大。以一组锂离子电池为例,其开路电压随其放电率可以从400V降到320V;当负荷输出为80KW时,在常温下,端电压将降至266V。

在低温时,电池容量将会降低,内阻0°C时的电阻比25°C时大2倍多。因此低温运行时,电压还会进一步降低。

因此,逆变器设计时,考虑在这样的直流电源波动下仍能输出所需的逆变电压及功率。同时要研究一些能使变频器输出电压得以提高PWM技术。比如应用三次谐波叠加技术,就可获得比常规的PWM技术高约15%的输出电压。

此外,还有3个问题应在设计时加以注意并采取相应措施:

一是在低电池电压下,要把蓄电池的全部能量都用上时,要有输出功率的限制措施;二是在电池满充电时,特别是在低温下,对再生制动转矩要加以限制,以防止引起大的电压升高;三是要考虑到电池的充放寿命周期对电池的功率及内阻造成的影响。即使是使用锂离子电池,在1000次充放电周期之后,电池容量也会降到80%。

对于车辆驱动用交流电机的变频控制方案,目前国内外普遍采用的是VVVF(恒压频比)和DTC(直接转矩控制)。恒压频比控制的优点是控制简单,容易实现。缺点是属于开环控制方式,动态性能不好,电源电压利用率低,在用于同步机时容易因突加负载或转速指令突变而发生失步现象。

直接转矩控制(DTC),通过检测到的定子电压和电流,借助瞬时空间矢量理论计算电机的转矩和磁链,并根据与给定值比较得到的差值,实现磁链和转矩的直接控制。DTC控制提出的主要应用场合就是牵引车控制,在转矩脉动和控制精度要求低的场合也能满足系统性能要求,如输出扭矩,动态响应。但是对于系统控制性能指标要求高的DTC控制仍需要进一步研究。

矢量控制技术作为交流异步电机控制的一种方式,已成为高性能变频调速系统的方案。

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