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一种新型增程式电动汽车的无刷直流电机系统的研究和开发
摘 要
对混合动力电动汽车的车载发电机进行了综述。基于电励磁双凸极电机(DSEM)，本文提出一种新型增程式电动汽车的无刷直流电机系统。本文介绍了电励磁双凸极电机(DSEM)的原理、发电机系统的结构和增程式电动车的动力系统。研究了发电机系统、电池系统和驱动系统的工作原理以及它们之间的动力匹配关系，同时给出了控制策略。本文设计和开发一台45千瓦适用于增程式电动车的双凸极无刷直流电机和与之匹配的发电机系统控制器。实验结果表明, 双凸极无刷直流电机展现出简单、可靠的配置性能，方便的控制能力和高性能的恒定电流/功率输出能力。这种新型无刷直流电机系统是推广增程式电动汽车应用的十分具有前景的选择。
关键词：无刷直流发电机；恒流；恒功率；双凸极电机；增程式电动汽车；
第1章 引言
人们普遍认识到,纯电池驱动的电动汽车的发展(EVs)可以减少环境污染和能源消耗。然而,由于行驶里程短,充电时间长，它带来了经典的“里程焦虑”问题。在当今的汽车工业混合动力电动汽车(HEV)提供解决这个问题的有效方案 [1]。然而, 在传统混合动力电动汽车(HEV)中电池的储能能力相对较小。车辆在电池充电-持续(CS)策略下运行,这意味着能量主要是由汽油和发动机(ICE)提供。电池是作为一个能量阻尼[2],[3]。作为一种常规的全混合动力电动汽车,插电式混合动力电动汽车(PHEV)具有充电器,并且车载电池容量更大。电池提供所需的大部分能量,因此在整个旅行中电池电荷状态(SOC)从一个完整的水平减少到耗尽的水平[4]。最近,一种增程式电动汽车出现，其为纯电动汽车的衍生品。一系列增程器(RE),类似于辅助动力单元(APU)的拓扑结构,被装入纯电动汽车上。当电池的电量充足时，车辆充分表现为纯电动汽车。一旦有效的电量用尽,增程式电动汽车将运行在充电模式,电池的SOC仍平均地维持在一定水平[5]。从清洁电网获取的能量消耗越多,节约汽油也越多。因此,具有相当大电池储能的增程式电动汽车,可以从清洁电网上充电,展现出更低排放性和更好的燃油经济性。与此同时,它可以克服行驶里程短的问题。
在电源方面,车载发电机系统在将发动机的机械能转换为电能过程中发挥了重要作用。在传统的发动机汽车上,皮带驱动的交流发电机,与相关的二极管整流器相连接,这种发电机目前普遍被采用，但具有效率低和功率限制的缺点[6]。由于已有的电气化设备和新现出的负载，汽车上的电力需求持续增长。新提出的42V电压水平,发电机系统的发动机汽车的改善有关。基于传统交流发电机,用开关整流器代替二极管整流器，从而在宽转速范围增加输出功率和电压[7]。整体发电机系统的效率也提高至70%。然而,在最现代的新能源汽车上,为了提高燃油经济性发动机和相关发电机的转速范围相对较窄。在增程式电动车上,发动机和驱动轮之间的机械解耦允许引擎在几乎恒定的最佳速度上运行。同时,固有的严重性饱和交流发电机严重漏电依然存在,这很大程度上造成的限制车载发电系统的效率的增加和输出功率。此外,附加在无刷交流发电机的气隙导致功率的进一步降低。
因此,为增程式电动汽车的应用研究和开发一个新型无刷直流发电机系统是至关重要的。幸运的是，新型无刷发电机的开发和相关电力电子应用为E-REV的车载发电机系统提供了灵活的设计和多种选择。
第2章 车载发电机系统的技术发展水平
E-REV的发电机系统在系统结构上与混合动力汽车很相似。为E-REV研发的直流无刷发电机系统的基本要求和串联混合电动汽车的应用可以概括如下:高功率密度,高效率的优化运行区域,简单的配置和灵活的可控制能力, 适应的车辆环境的高可靠性和鲁棒性和可以接受的成本[8]。目前,四种类型的发电机和系统被研究和关注，并有望应用于E-REV。
2.1永磁电机(PM)
起动发电机(SG)系统要满足密实度的要求,高功率密度和效率高,因此,被制造商选择用于新能源汽车,尤其在那些光与介质的[9]-[11]。内嵌永磁体的(IPM)发电器成为占主导地位的选择[12]。一方面, 当发电机高速运行时，磁铁必须固定在表面磁钢上(SPM),它受到机械应力和在套筒上的额外损失[13]。另一方面, 内嵌永磁体的起动发电机提供由磁阻产生的额外的转矩来改善汽车转矩[14]。同时, 由于槽填被填满，分槽的集中绕组内嵌永磁体的发电机得到关注,短线圈端部长度和下降的铜损,发电机系统表现出更高的效率[15]。更高的谐波磁通在气隙中出现,然而通过合理设计磁铁的形状和上面的气穴它能被削弱。由于电磁相互作用时有表面积更大的气隙，轴向磁通(AFPM)发电机具有高密实度和高功率密度的优势[16]-[18]。最近,一些研究人员注意到了各种定子永磁的结构的研究，其可以增加转子的鲁棒性和更好的散热[19]。然而,由于永磁通量是不可控的, 就永磁气动发电机系统而言，电源转换器需要生成操作时电压调节和在和开始操作时驾驶汽车，这导致整个系统的复杂性的增加和可靠性的减少。对于E-REV和一系列的HEV,由于发动机和驱动车轮之间的机械解耦,发动机和相关发电机速度可以被调节，这提供了一个用简单二极管整流器连接控制永磁发电机的输出的方案[20]。然而,动态调节发动机的性能要求严格。引擎不能总是在其最优区域,操作和高效的引擎是很难实现的。此外,稀土的价格和不可逆退磁的风险也进一步限制重型E- REV的转速,这需要为巨大的发电系统提供足够的空间和高可靠性的运行区域。
2.2混合励磁电机
混合励磁机通过采用附加的电磁式激励解决了不可控的永磁磁通的问题。系统结构和控制方法都很简明。只有足够简单的二极管整流器和电压调节可以实现通过控制励磁电流[21]。为了实现无刷配置,应安置在定子磁场绕组。然而,就永磁转子而言,它是一种比较复杂的转子结构。由于现有的永磁体, 就振动和高温发动机而论，发电机仍然很难适应恶劣的环境。
2.3感应电机
作为交流电动机,感应电机有着悠久的历史和成熟的制造技术。它有坚实的结构、维护方便、成本低等优势。在重型车辆,异步发电机系统往往被应用[12]。然而,转子铜损的存在是不可避免的缺点。无功功率用于励磁,发电机系统具有相对较低的效率和低功率密度[22]。电源转换器用于整流电路或励磁电路[23]。虽然采用磁场定向矢量控制,参数鲁棒性相对较弱,转子磁通很难精确地观察到。与此同时,控制算法是复杂的。
2.3开关磁阻(SR)电机
由于简单、坚实的结构和转子和定子的缺磁，开关磁阻(SR)电机在汽车应用中提供了独特的优点,这使得SR电机的理想选择高温环境和高速条件下运行[24],[25]。与此同时,SR发电机系统具有容错能力。开关磁阻电机式起动电机系统是为轻度混合动力汽车开发的应用,系统测试表明,该变换器和发电机效率达到90%[26]。电源转换器和位置传感器的需要降低了可靠性，并使SR发电机系统的总成本增加。单极相电流只出现在相电感的生成模式的下行时期。转矩脉动的问题,可以减少噪声的结构设计和控制方法。然而,在相比于之前的转矩脉动,一些重型车辆的应用中,如城市客车、发电机系统的可靠性问题是更重要的问题。
第3章提出双凸极无刷直流电机发电机系统的配置
类似于开关磁阻的相似结构, 电励磁双凸极电机(DSEM)继承了低成本和高鲁棒性的优点,并满足苛刻的操作环境要求。为了发电运行, 励磁双凸极电机(DSEM)去除了可控整流器和转子位置检测。双凸极无刷直流电机发电机是由DSEM和相关的二极管整流器构成。在定子绕组里独立的绕组线圈为规定的电压提供了灵活和方便的控制 [27],[28]。
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图 1. 24/16极双凸极电机的横截面 |
一个新的基于双凸极无刷直流电机发电机刷的直流无刷发电机系统被提出。图1显示了24/16极三相DSEM的截面，在被提及的直流无刷发电机系统中24个定子极和16个转子极。电枢绕组在每个定子极缠绕,磁场绕组每三定子极缠绕。转子上没有绕组使DSEM像一个无刷电机一样运行。极对的数量等于转子极的数量。然后机械角的电周期是
在这里是转子机械角,是转子极的数量。如图2所示,当转子极滑向定子极,相磁链增加。另一方面, 当转子极滑离定子极,相磁链是减小。
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图2.24/16-极三相DSEG的工作原理。(a)结构展图 (b)A相磁链和在空载电动势形 |
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图3所示发电机系统的配置由双凸极无刷直流电机发电机、RE控制器和发动机组成。RE控制器包括两个单元。发动机的调速器和发电机的励磁电流调节器。转速、水温、发动机的机油压力由发动机的速度调节器检测,并通过CAN总线将信号发送到车辆控制器。根据参考车辆控制器发送的转速信号，油门速度被速度调节器调节。输出电压、电流和励磁电流被励磁电流调节器检测，检测到的输出功率是通过调节励磁电流控制的。
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图3.双凸极无刷直流发电机系统的配置。 |
图4.双凸极无刷直流发电机的增程式动力系统。 |
图4显示了增程动力系统的基础上,提出双凸极无刷直流电机发电机系统。发动机在其最优恒速运行。由于不需要输出功率转换器和位置传感器, 双凸极无刷直流电机发电机系统展示出方便的可控性和简单的配置。
第4章 运行模式和控制策略
4.1运行模式
如图5所示，增程式电动车在纯电动模式下或CS模式下运行取决于电池SOC的实际状态值。当电池充满电和SOC高于预设基线, 增程式电动车是在纯电动模式下运行。功率流在纯电动模式下是图6所示。在正常的巡航和加速条件下，电池提供的能量是完全提供给驱动系统。当增程式电动车运行在减速和制动条件下,一部分的动能回收为电能存储在蓄电池中。
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图5.发电机系统运行的说明 |
图6. 增程式电动汽车的在纯电动模式下能量流动。 |
当电池充电耗尽和SOC值低于预设底线，双凸极无刷直流电机发电机系统开始运行和增程式电动车在充电模式下运行直到SOC到达预设最高线。图7显示了充电模式在不同条件下的功率流。
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图7. E-REV在CS模式时功率流,(a)正常巡航,(b)突然加速或爬,(c)下坡,(d)刹车,(e)电池充电。 |
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- 正常巡航: 发生器系统产生的所需的平均功率直接提供驱动系统。
- 突然加速或爬坡:所需的功率驱动系统超过发电机系统的功率容量,因此电池同时供应额外的电能。
- 下坡:所需的驱动系统的能量小于提供电力的发电机系统供给能量,因此,然后多余的电能储存在电池。
- 减速:动能的一部分是恢复的电能存储在蓄电池中。
- 电池充电:电池是由发电机系统充电，驱动系统立刻关闭。
4.2控制策略
为了使增程式电动汽车有效运行,双凸极无刷直流发电机系统应该合理配合电池和驱动系统。此外,有两种类型的电池存储。直接连接到直流母线或通过一个双向直流-直流转换器连接。在本文中,第一种类型被考虑并研究。因此,功率匹配关系相当于当前匹配关系的三个部分,可以表达为
是发电机系统输出电流, 是驱动系统所需的输入电流，是电池的充电电流。
当增程式电动汽车在纯电动模式下运行,电池的电量逐渐消耗。当SOC低于预设基线,双凸极无刷直流发电机系统开始运行,并与恒功率输出控制相应的最优速度以符合发动机上的最优区域。然后电池SOC上升直到达到预设的顶线后，发电机系统会关闭。SOC达到基线后,再打开系统,如图4所示。在这种情况下,发动机可以运行在最优区域,如图8所示，双凸极无刷直流电机发电机系统也表现出效率高。
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图8..燃油消耗MAP图 |
在实际运行中,应该考虑电池的允许充电电流的最大值,特别是再生制动条件下。充电电流会超过允许的值后可能损坏电池。双凸极无刷直流发电机系统通过CAN总线从车辆控制器接收输入电流的需求信息。最大可接受的输出电流由发电机系统确定
电池的最大充电电流。 由发电机的输出电流系统给出
是给定的发生器系统的输出功率,是直流线电压。如果 ,发电机系统操作与恒定输出功率为。发电机系统在优化区域运行且不会发生过电流故障电池。如果 ,发电机系统运行会限制恒定的输出电流。然而,发电机的输出功率系统是从减少到。发动机速度应该改变以达到每输出功率最少的燃料消耗。然后如图7所示，发动机运行是沿着最优变量操作线来实现
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