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變頻器在電動汽車中的應用
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隨著變頻器技術的不斷發展成熟,還有節能需求與城市環保的呼聲中,電動汽車,特別是城市公交混合動力電動汽車得到迅速發展,汽車驅動用變頻器成為汽車動力系統的未來趨勢。
電動汽車驅動方式主要有直流(有刷)電機驅動系統,異步電機驅動系統,直流無刷電機驅動系統,永磁同步電機驅動系統和開關磁阻電機驅動系統。
各種驅動系統中變頻器的控制方法因電機不同而各異,驅動系統的特性也各有其優點和不足。籠型異步電機用于電動汽車驅動,具有結構簡單,堅固耐用,成本低廉,運行可靠,轉矩脈動低,噪聲低,轉速極限高等到優點,加之其調速控制技術比較成熟,因而相對直流有刷電機驅動系統有比較明顯的優勢。
而永磁無刷直流電動機系統具有更高的效率和功率密度,其矢量變頻調速控制技術也逐漸成熟,能量回饋也更加簡便,適合于電動汽車的驅動控制。但也存在成本較高,功率容量較小,易產生噪聲各轉矩波動,***轉速因電動勢而受限等問題。
汽車驅動用變頻器的設計或選型必須考慮電動汽車的特殊情況。電動汽車電源是蓄電池,蓄電池供電的特點是電壓波動大,內阻大。以一組鋰離子電池為例,其開路電壓隨其放電率可以從400V降到320V;當負荷輸出為80KW時,在常溫下,端電壓將降至266V。
在低溫時,電池容量將會降低,內阻0°C時的電阻比25°C時大2倍多。因此低溫運行時,電壓還會進一步降低。
因此,逆變器設計時,必須考慮在這樣的直流電源波動下仍能輸出***所需的逆變電壓及功率。同時要研究一些能使變頻器輸出電壓得以提高PWM技術。比如應用三次諧波疊加技術,就可獲得比常規的PWM技術高約15%的輸出電壓。
此外,還有3個問題應在設計時加以注意并采取相應措施:
一是在低電池電壓下,要把蓄電池的全部能量都用上時,要有輸出功率的限制措施;二是在電池滿充電時,特別是在低溫下,對再生制動轉矩要加以限制,以防止引起大的電壓升高;三是要考慮到電池的充放壽命周期對電池的功率及內阻造成的影響。即使是使用鋰離子電池,在1000次充放電周期之后,電池容量也會降到80%。
對于車輛驅動用交流電機的變頻控制方案,目前國內外普遍采用的是VVVF(恒壓頻比)和DTC(直接轉矩控制)。恒壓頻比控制的優點是控制簡單,容易實現。缺點是屬于開環控制方式,動態性能不好,電源電壓利用率低,在用于同步機時容易因突加負載或轉速指令突變而發生失步現象。
直接轉矩控制(DTC),通過檢測到的定子電壓和電流,借助瞬時空間矢量理論計算電機的轉矩和磁鏈,并根據與給定值比較得到的差值,實現磁鏈和轉矩的直接控制。DTC控制提出的主要應用場合就是牽引車控制,在轉矩脈動和控制精度要求低的場合也能滿足系統性能要求,如輸出扭矩,動態響應。但是對于系統控制性能指標要求高的DTC控制仍需要進一步研究。
矢量控制技術作為交流異步電機控制的一種方式,已成為高性能變頻調速系統的***方案。
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