CN103448567A - 电动汽车sr电机调速控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种电动汽车SR电机调速控制方法，该调速控制方法中，SR电机由蓄电池组供电，蓄电池组包括2N个蓄电池，2N个蓄电池通过串并联实现m个级别的电压等级，每个蓄电池的运行工况相同，且不同电压等级之间的切换通过接触器调整来实现；将电机的额定转速设置m-1个调压速度节点，从低到高依次是V1、V2、V3…Vm-1，当转速低于V1时，控制蓄电池组的供电电压为U1，当转速不低于V1且低于V2时，控制蓄电池组的供电电压为U2，依次类推，当转速不低于Vm-1时，控制供电电压为Um。本发明能够实现在低速段和高速段均获得较高效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种电动汽车SR电机调速技术领域，尤其是一种电动汽车SR电机调速控制方法。
背景技术
随着节能减排的深入，电动汽车已被公认为节能环保的未来汽车。而所包含的燃料电池、混合动力或纯电动任一类电动汽车都需用电机作为执行机构来驱动车轮行驶，因此如何充分发挥电机的各项优势，选择较佳的驱动结构对电动汽车推广应用意义重大。综合车辆动力学、电机拖动及其自动控制工程等多项理论分析，采用轮毂电机直接驱动电动汽车可归纳总结出如下诸多优点：简化机械结构和降低车载自重以利汽车结构布局，即可省去所有庞大而笨重的机械传动链，以腾出大量空间供蓄电池布局，又提高了动能传输效率；可降低汽车质心与车身高度；易实现四轮驱动四轮转向来提高车轮对地面附着力、转向性能以及动能回收率；提高了车轮控制快速响应性，以更易实现传统轿车较难实施的各种高性能控制，从而可极大改善汽车行驶安全性、操控性和稳定性。
目前国际上也已越来越多地认识到采用轮毂电机直驱的优越性，近年来美、英、法、德等国纷纷将轮毂电机应用于越野车上，并取得相应成果。即通过理论分析和实践证实，均说明轮毂电机是电动汽车的最佳、最终驱动方式，但由此对电机的调速性能等也提出更高的独特要求。针对汽车行驶于多变路况，以及用蓄电池为能源等特点，对直驱轮毂电机又可归纳出如下要求：电机启动力矩大、启动电流小、短时过载能力强、能高效发电回馈制动、调速范围宽、动态响应快、故障容错性和系统可靠性高等要求。为此需对永磁直流无刷、交流变频矢量控制以及开关磁阻电机驱动SRD等各类电机调速系统，通过相应电磁理论以及计算机有限元仿真进行分析比较，可以得出其中SRD是最能较全面地满足上述的独特要求。
解决电动汽车普及的最大问题是提高其续行里程，为此全球各国在蓄电池比能量、比功率的瓶颈口上已花费了数十年和大量经费。若使直驱轮毂电机在满足上述独特要求的前提下，即能腾出更多空间供蓄电池布局用，又能减轻车载自重和提高动能传输效率，并根据只有驱动轮才能实现动能回收，即使轮毂电机在降速制动和下坡过程中能直接经发电回馈，来更有效地提高能量回收率。而按环保要求，电动汽车最急需在城市推广，所应设法使汽车在行驶所需的市郊高速段和城区低速段均能高效驱动运行。从而使车载自重与能源消耗得以良性循环，以此来有效提高续行里程。为此本发明人之一虽曾在今年2月7日提出了申请号为201310048749，名称为“一种SR电机低高速均能高效运行的方法及其SR电机”发明专利。但由于该发明在实施中需通过开关触点数较多的专用接触器进行SR电机绕组串、并联换接，特别是在轮毂电机或其轮辋内部难以布局该专用接触器。
发明内容
为了克服已有电动汽车SR电机调速技术的无法同时在低速段和高速段获得较高效率的不足，本发明提供了一种能够实现在低速段和高速段均获得较高效率的电动汽车SR电机调速控制方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种电动汽车SR电机调速控制方法，该调速控制方法中，SR电机由蓄电池组供电，所述蓄电池组包括2N个蓄电池，N为正整数，所述2N个蓄电池通过串并联实现m个级别的电压等级，从低到高分别为U1、U2、…、Um，m为大于等于2的自然数，其中，最低等级的电压U1为单个蓄电池的额定电压U，最高等级的电压Um为2NU，所述串并联的约束条件为：每个蓄电池的运行工况相同，且不同电压等级之间的切换通过接触器调整来实现；将所述电动汽车SR电机的额定转速设置m-1个调压速度节点，从低到高依次是V1、V2、…、Vm-1；
所述驱动控制器包括调速控制模块，用于当转速低于V1时，控制蓄电池组的供电电压为U1，当转速不低于V1且低于V2时，控制蓄电池组的供电电压为U2，依次类推，当转速不低于Vm-1时，控制蓄电池组的供电电压为Um。
对于上述方案中，当转速低于最低额定转速V0时，V0＜V1，由驱动器采用电流斩波(CCC)控制；在不低于V0且低于V1时，由驱动器实现高效率的角度位置(APC)方式控制，该控制方式为本领域的常规控制方式，该两种情况下，控制蓄电池组的供电电压均为U；当电机的转速抬升后，均采用角度位置(APC)方式控制，按照本发明提供的方案，对蓄电池的供电电压实现分级控制。
进一步，所述蓄电池组包括2个蓄电池，蓄电池组的供电电压分别是U和2U；将所述电动汽车SR电机的转速设置1个调压速度节点，当转速低于V1时，控制蓄电池组的供电电压为U，当转速不低于V1时，控制蓄电池组的供电电压为2U。
或者是，所述蓄电池组包括4个蓄电池，蓄电池组的供电电压分别是U、2U和4U；将所述电动汽车SR电机的转速设置2个调压速度节点，当转速不高于V1时，控制蓄电池组的供电电压为U，当转速不低于V1且低于V2时，控制蓄电池组的供电电压为2U，当转速不低于V2时，控制蓄电池组的供电电压为4U。
或者是，所述蓄电池组包括6个蓄电池，蓄电池组的供电电压分别是U、2U、3U和6U；将所述电动汽车SR电机的转速设置3个调压速度节点，当转速不高于V1时，控制蓄电池组的供电电压为U，当转速不低于V1且低于V2时，控制蓄电池组的供电电压为2U，当转速不低于V2且低于V3时，控制蓄电池组的供电电压为3U，当转速不低于V3时，控制蓄电池组的供电电压为6U。
或者是，所述蓄电池组包括8个蓄电池，蓄电池组的供电电压分别是U、2U、4U和8U；将所述电动汽车SR电机的转速设置3个调压速度节点，当转速不高于V1时，控制蓄电池组的供电电压为U，当转速不低于V1且低于V2时，控制蓄电池组的供电电压为2U，当转速不低于V2且低于V3时，控制蓄电池组的供电电压为4U，当转速不低于V3时，控制蓄电池组的供电电压为8U。
本发明的技术构思为：根据SR电机的绕组匝数与其额定转速和额定电压的公式：匝数与电压成正比；与转速成反比。即匝数固定不变时，所适合额定转速随电源电压下降而降低。且电机功率也随转速下降而降低，如此绕组线径也不必随电压下降而增粗。通常要求SR电机在额定转速以下采用电流斩波(CCC)控制；在额定转速以上采用角度位置(APC)方式控制；且由于SR电机采用APC控制效率较高。为此可采取车用电源蓄电池经串、并联换接来有级调整电压，从而实现高、低多档额定转速，使SR电机在低电压相应的低额定转速时采用APC控制仍能获得较高效率。而且蓄电池经串、并联换接后总容量均不变，输出电流在高压时小、低压时大，也适于SR电机随转速降低力矩变大而要求电流增大。
通过发明人持续地研究，经数千次对SR轮毂电机设计和计算机有限元分析仿真，找到了更易在电动汽车上实施，且更合理的方法，使SR直驱轮毂电机在高、低速段仍均能获得较高效率。
本发明的有益效果主要表现在：能够实现在低速段和高速段均获得较高效率。
附图说明
图1是2个蓄电池的蓄电池组的接线示意图。
图2是4个蓄电池的蓄电池组的接线示意图。
图3是6个蓄电池的蓄电池组的接线示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照图1~图3，一种电动汽车SR电机调速控制方法，该调速控制方法中，SR电机由蓄电池组供电，所述蓄电池组包括2N个蓄电池，N为正整数，所述2N个蓄电池通过串并联实现m个级别的电压等级，从低到高分别为U1、U2、…、Um，m为大于等于2的自然数，其中，最低等级的电压U1为单个蓄电池的额定电压U，最高等级的电压Um为2NU，所述串并联的约束条件为：每个蓄电池的运行工况相同，且不同电压等级之间的切换通过接触器调整来实现；将所述电动汽车SR电机的额定转速设置m-1个调压速度节点，从低到高依次是V1、V2、…、Vm-1；
所述驱动控制器包括调速控制模块，用于当转速低于V1时，控制蓄电池组的供电电压为U1，当转速不低于V1且低于V2时，控制蓄电池组的供电电压为U2，依次类推，当转速不低于Vm-1时，控制蓄电池组的供电电压为Um。
对于上述方案中，当转速低于最低额定转速V0时，V0＜V1，由驱动器采用电流斩波(CCC)控制；在不低于V0且低于V1时，由驱动器实现高效率的角度位置(APC)方式控制，该控制方式为本领域的常规控制方式，该两种情况下，控制蓄电池组的供电电压均为U；当电机的转速抬升后，均采用角度位置(APC)方式控制，按照本发明提供的方案，对蓄电池的供电电压实现分级控制。
所述调速控制模块的控制策略为：依照m-1个调压速度节点，将所述电动汽车SR电机的额定转速从低到高划分为m个区间，蓄电池组的供电电压从低到高分别为U1、U2、…、Um，这样形成m个区间和m个供电电压的一一对应关系，实现分级控制，在低速段和高速段均获得较高效率。
进一步，所述蓄电池组包括2个蓄电池，蓄电池组的供电电压分别是U和2U；将所述电动汽车SR电机的转速设置1个调压速度节点，当转速低于V1时，控制蓄电池组的供电电压为U，当转速不低于V1时，控制蓄电池组的供电电压为2U。
或者是，所述蓄电池组包括4个蓄电池，蓄电池组的供电电压分别是U、2U和4U；将所述电动汽车SR电机的转速设置2个调压速度节点，当转速不高于V1时，控制蓄电池组的供电电压为U，当转速不低于V1且低于V2时，控制蓄电池组的供电电压为2U，当转速不低于V2时，控制蓄电池组的供电电压为4U。
或者是，所述蓄电池组包括6个蓄电池，蓄电池组的供电电压分别是U、2U、3U和6U；将所述电动汽车SR电机的转速设置3个调压速度节点，当转速不高于V1时，控制蓄电池组的供电电压为U，当转速不低于V1且低于V2时，控制蓄电池组的供电电压为2U，当转速不低于V2且低于V3时，控制蓄电池组的供电电压为3U，当转速不低于V3时，控制蓄电池组的供电电压为6U。
或者是，所述蓄电池组包括8个蓄电池，蓄电池组的供电电压分别是U、2U、4U和8U；将所述电动汽车SR电机的转速设置3个调压速度节点，当转速不高于V1时，控制蓄电池组的供电电压为U，当转速不低于V1且低于V2时，控制蓄电池组的供电电压为2U，当转速不低于V2且低于V3时，控制蓄电池组的供电电压为4U，当转速不低于V3时，控制蓄电池组的供电电压为8U。
本发明中，众所周知各类电机在所设计的额定转速附近效率较高。而其最高转速与额定转速之比X按诸多资料表明：永磁电机的X约为2；交流异步电机的X约为4；开关磁阻电机的X约为6。按此计算，如按目前电动汽车对电机动能传输已不采用多级齿轮换档所考虑：对于永磁电机的额定转速如按车速60km/h设计，最高转速即为车速120km/h，但按此如车速低于约15km/h时效率通常就会低于80%，并随速度进一步下降效率将急剧下降。而对于SR电机即可将额定转速按偏于汽车行驶的更低车速设计，如SR电机的额定转速按车速30km/h设计，其最高转速却还可高达车速约180km/h。
又根据SR电机的绕组匝数与其额定转速和额定电压的公式：匝数与电压成正比；与转速成反比。即匝数固定不变时，所适合额定转速随电源电压下降而降低。且电机功率也随转速下降而降低，如此绕组线径也不必随电压下降而增粗。通常要求SR电机在额定转速以下采用电流斩波(CCC)控制；在额定转速以上采用角度位置(APC)方式控制；且由于SR电机采用APC控制效率较高。为此可采取车用电源蓄电池经串、并联换接来有级调整电压，从而实现高、低多档额定转速，使SR电机在低电压相应的低额定转速时采用APC控制仍能获得较高效率。而且蓄电池经串、并联换接后总容量均不变，输出电流在高压时小、低压时大，也适于SR电机随转速降低力矩变大而要求电流增大。
并根据蓄电池在整车位置布局，即按车辆动力学对车辆质量重心要求，需将蓄电池作为配重物分散存放，如置于座位下面以降低质心高度，即正好也需将分散的蓄电池连接起来。如按下述将蓄电池分为两部分或四部分，经串、并联换接就分别可实现两个等级或三个等级的电压调节，从而实现相应二或三个高低不同档次的额定转速。并且蓄电池按如此串、并联方式换接，在保持车载蓄电池原有总容量前提下，还可适当增加单体电池串联数，以提高蓄电池按串联方式连接的最高电压值，如此按经验可知提高总电压即有利于提高SR电机的总体运行效率，如将车载蓄电池的常规电压320V提高到400V或更高。在此还需强调说明：对电压调节虽可通过电子开关器件实现无级调压，但如此即存在其损耗而降低整体效率，也较大提高了器件成本。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
为便于说明在此设定蓄电池最高电压为400V。
参照图1，方案1：蓄电池分为两部分，采用两并联和两串联两种方式换接，电压分别为200V和400V两个等级，需采用一只具有两常闭、一常断的接触器换接，如附图1所示，两并联时接触器KM1不通电，由两只常闭开关分别将+与2、1与-连接，电压为200V；两串联时接触器KM1通电，由一只常断开关将1与2连接，电压为400V。
参照图2，方案2：蓄电池分为四部分，采用四并联、两串两并联和四串联三种方式换接：电压分别为100V、200V和400V三个等级，需采用两只接触器换接：一只接触器KM1为四常闭、两常断；另一只接触器KM2为两常闭、一常断。如附图2所示，四并联时两只接触器均不通电，由六只常闭开关分别将+与2、2与4、4与6、1与3、3与5、5与-连接，电压为100V；两串两并联时接触器KM1不通电，由四只常闭开关分别将+与2、4与6、1与3、5与-连接，接触器KM2通电，由一只常断开关将3与4连接，电压为200V；四串联时两只接触器均通电，由三只常断开关分别将1与2、3与4、5与6连接，电压为400V。
参照图3，方案3：蓄电池分为六部分，可有4种换接方式获4种电压等级：6串联电压=V总、2并3串电压=V总/2、3并2串电压=V总/3、6并联电压=V总/6；需采用三只接触器换接：接触器KM1、KM2均为四常闭、两常断；接触器KM3为两常闭、一常断。如附图3所示，六并联时三只接触器均不通电，由十只常闭开关分别将+与2、2与4、4与6、6与8、8与10、1与3、3与5、5与7、7与9、9与-连接，电压为V总/6；三并两串联时接触器KM1、KM2不通电，由八只常闭开关分别将+与2、2与4、1与3、3与5、6与8、8与10、7与9、9与-连接，接触器KM3通电，由一只常断开关将5与6连接，电压为V总/3；两并三串联时接触器KM1、KM3不通电，由六只常闭开关分别将+与2、1与3、4与6、5与7、8与10、9与-连接，接触器KM2通电，由两只常断开关将3与4、7与8连接，电压为V总/2；六串联时三只接触器均通电，由五只常断开关分别将1与2、3与4、5与6、7与8、9与10连接，电压为V总。
方案4：蓄电池分为8部分，也只有4种换接方式获4种电压等级：8串联电压=V总、4串2并电压=V总/2、2串4并电压=V总/4、8并联电压=V总/8；
方案5：蓄电池分为10部分，也只有4种换接方式获4种电压等级：10串联电压=V总、5串2并电压=V总/2、2串5并电压=V总/5、10并联电压=V总/10；
方案6：蓄电池分为12部分，可有6种换接方式获6种电压等级：12串联电压=V总、6串2并电压=V总/2、4串3并电压=V总/3、3串4并电压=V总/4、2串6并电压=V总/6、12并联电压=V总/12。
对于蓄电池通过串、并联换接进行有级调压所需分的组数，需考虑蓄电池在汽车布局实施中进行分组放置的可行性，和通过多级调压进行相应级别额定转速控制的实效性，以及实施所需增加成本等对总体性价比的影响。因此对于如公交车等大型汽车可考虑分为较多（不宜超过12）组，以更好兼顾低速行驶效率；而对于小轿车不宜超过6组，按上述说明分为8、10部分均与分为6部分类同，也只有4种换接方式，获4种电压等级，且电压等级值相差也较大，所需接触器及其开关数也更多，因此从实际工业应用而言，分为8、10部分应根本不适宜采用。
为使SR电机在低、高速均能高效运行，比较申请号201310048749的发明专利采用电机绕组串、并联换接方法，相比本发明通过蓄电池串、并联换接有级调压方法，即可减少换接所用接触器的触点开关数。由于采用电机绕组串、并联换接方法所需触点开关数随电机相数增加而增加，尤其近期经深入研究和计算机有限元分析仿真，找到了解决SR电机最大缺陷即转矩脉动大的方法：需采用五相SR电机结合调整相关设计参数。如此相比之下，采用蓄电池串、并联换接有级调压所需接触器换接用的触点开关数即为大大减少。并且对于采用轮毂电机来说，不必为减少与外部连接线需设法将换接专用接触器安装在有限空间的轮毂电机或其轮辋内部。
为验证本发明效果，发明人通过改变各种相应设计参数，设计了多种SR轮毂电机，进行了大量计算机仿真。如将电机结构参数均选定为同一种，分别采用400V、200V、100V三种额定电压等级，相应额定转速分别为1000、300、150、75rpm进行多种仿真比较。仿真结果为：额定电压为400V时，设定额定转速1000rpm(按所适于安装轮毂电机的轮胎直径折算车速约为128km/h，后述以此类推)时，效率约为96%；设定额定转速300rpm(相当于车速约38km/h)时，效率约为93%；设定额定转速150rpm(相当于车速约19km/h)时，效率约为48%；设定额定转速75rpm(相当于车速约9.6km/h)时，效率仅为10%，但此时可获约7.6倍的平均扭矩(按额定转速300rpm时输出转矩约为100N·m)，即输出扭矩可达760 N·m以上，如此高的过载扭矩即可有效应付行驶途中突遇的较大阻力障碍，效率虽低但仅为短时。额定电压为200V时，设定额定转速150rpm(相当于车速约19km/h)时，效率约为89%；设定额定转速75rpm(相当于车速约9.6km/h)时，效率约为48%。额定电压为100V时，设定额定转速75rpm(相当于车速约9.6km/h)时，效率约为81%。
如此即可采用如下控制方法：电机在低于75rpm(车速9.6km/h)运行时，采用额定电压100V，由驱动器采用电流斩波(CCC)控制；在高于75rpm(车速9.6km/h)运行时，由驱动器均实现高效率的角度位置(APC)方式控制；调速范围在75～150rpm时，仍采用额定电压100V；调速范围在150～300rpm时，采用额定电压200V；电机转速高于300 rpm时，均采用额定电压400V。
相比于目前在纯电动汽车采用较多的驱动方式：由单台永磁同步或交流异步电机经一级齿轮箱减速，再经后桥差速等机械传输至车轮，就电机本身效率还相差不多，即本发明在低速时略高。但实际还应将机械传输效率折算进去就明显相差较大，并且在汽车降速制动或下坡时还可大大提高动能回收率。如此使汽车在行驶所需的市郊高速段和城区低速段均能高效驱动运行，使车载自重与能源消耗得以良性循环，以此既能有效提高续行里程。
Claims (5)
1.一种电动汽车SR电机调速控制方法，该调速控制方法中，SR电机由蓄电池组供电，其特征在于：所述蓄电池组包括2N个蓄电池，N为正整数，所述2N个蓄电池通过串并联实现m个级别的电压等级，从低到高分别为U1、U2、…、Um，m为大于等于2的自然数，其中，最低等级的电压U1为单个蓄电池的额定电压U，最高等级的电压Um为2NU，所述串并联的约束条件为：每个蓄电池的运行工况相同，且不同电压等级之间的切换通过接触器调整来实现；将所述电动汽车SR电机的额定转速设置m-1个调压速度节点，从低到高依次是V1、V2、…、Vm-1；
所述驱动控制器包括调速控制模块，用于当转速低于V1时，控制蓄电池组的供电电压为U1，当转速不低于V1且低于V2时，控制蓄电池组的供电电压为U2，依次类推，当转速不低于Vm-1时，控制蓄电池组的供电电压为Um。
2.如权利要求1所述的电动汽车SR电机调速控制方法，其特征在于：
所述蓄电池组包括2个蓄电池，蓄电池组的供电电压分别是U和2U；将所述电动汽车SR电机的转速设置1个调压速度节点，当转速低于V1时，控制蓄电池组的供电电压为U，当转速不低于V1时，控制蓄电池组的供电电压为2U。
3.如权利要求1所述的电动汽车SR电机调速控制方法，其特征在于：
所述蓄电池组包括4个蓄电池，蓄电池组的供电电压分别是U、2U和4U；将所述电动汽车SR电机的转速设置2个调压速度节点，当转速不高于V1时，控制蓄电池组的供电电压为U，当转速不低于V1且低于V2时，控制蓄电池组的供电电压为2U，当转速不低于V2时，控制蓄电池组的供电电压为4U。
4.如权利要求1所述的电动汽车SR电机调速控制方法，其特征在于：
所述蓄电池组包括6个蓄电池，蓄电池组的供电电压分别是U、2U、3U和6U；将所述电动汽车SR电机的转速设置3个调压速度节点，当转速不高于V1时，控制蓄电池组的供电电压为U，当转速不低于V1且低于V2时，控制蓄电池组的供电电压为2U，当转速不低于V2且低于V3时，控制蓄电池组的供电电压为3U，当转速不低于V3时，控制蓄电池组的供电电压为6U。
5.如权利要求1所述的电动汽车SR电机调速控制方法，其特征在于：
所述蓄电池组包括8个蓄电池，蓄电池组的供电电压分别是U、2U、4U和8U；将所述电动汽车SR电机的转速设置3个调压速度节点，当转速不高于V1时，控制蓄电池组的供电电压为U，当转速不低于V1且低于V2时，控制蓄电池组的供电电压为2U，当转速不低于V2且低于V3时，控制蓄电池组的供电电压为4U，当转速不低于V3时，控制蓄电池组的供电电压为8U。
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