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48V技术新认识之二:低电压大功率电动车控制方案

2020-03-10 10:33
LY说新能源
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1989 Isao 提出了将电机定子绕组打开,将两个将两个逆变器从绕组两端分别供电的结构如图1所示

图 1 双逆变变频与异步电动机较早电控图示

考虑自媒体读者电力电子知识水平参差不齐,本文会以较通俗的方式介绍电动车双电压系统的设计原理。让即便只有初中物理知识水平的人也能看懂。

图1中 Ud是一个储能部件电池,如池塘里能游动的鱼,电池里电能是鱼。逆变器是一个鱼塘进出门网。电动机是消耗电能的,就好比煮鱼的厨房。如果要做出一顿大餐让吃货满意。那么就需要根据吃货(电动机的需求去煮鱼)。电动机需要根据车辆的运动特性来需求调配电力。所以呢,什么样的电机驱动系统才是最佳的电控系统呢?

调配电力能力跟车辆需求特性匹配的电控系统。

异步(同步)电动机定子需求的是正弦波。而电池供给的直流小幅波动电压(电池电量不同会有偏移)。这就要求逆变器使用高速开关器件(IGBT,GTO,MEOST)将电池电能调配成正弦波。这正弦波是不同电压,不同频率的。

根据"solar to service"(太阳能到服务人们生产生活的效率)的三个效率,及电动车电能使用调配补能方式的分析中,我们知道,60V以内的安全电压适用于补能方式补充。所以有了一个双电压的方案。

按这个方向去优化纯电动汽车的电驱系统,并给出一个可行的控制方案。这是本文的内容。

图1的双逆变器异步(同步)电动机控制原理是一种推拉式供电方式,有利于提高电机供电电压。此外还有人提出过双定子绕组,双转子电机等等。这些都是可以用来作为双电压系统的方式。但这些方式中,有且只有一种在一定工况下是最优的。

因电能的使用方式千变万化,条条道路通北京,目前作者也无法判断哪一种电池+逆变器+电机是新能源汽车电控的最佳控制方式,只是利用所有时间去深入浅出学习这方面的知识。

我们设定一种工况,这种工况是以取代摩托车、电单车为目标的小型2座、4座电动车。以纯电续航160公里电池(12~30度),最高车速60~120km车长2600~4000mm(宝骏e100,比亚迪e1、元,本田飞度等等,电机功率在30~70KW之间)。

我们在这里的工况下设计一种低成本的新能源车辆控制方案。称为工况1电控方案。电控方案中,160公里电池组可以自由方便地扩展,有车载充电器停车即充。车主可以很方便地补能故不存在里程焦虑问题。

现在问题是如何将电机+电控+电池的工况1电控方案做到最佳!

图 2 简单48V电控主回路a)和控制回路b)示意图

我们设定Ud/2为48V~60V。暂定额定值为50V

图 3 工况1方案48V系统逆变器输出电压

根据 刘凤君 著作《多电平逆变技术及其应用》课本。异步电机两端的逆变器可以是三相两电平SPWM逆变器,也可以是三相三电平或多电平逆变器。交流电机两端的逆变器桥臂是可以对称,也可以是非对称的,每一相绕组逆变器两端直流电压可以是相等,也可以不相等。

这样的技术原理给电动车电控设计带来了极大的方便。

为了最简单易于理解,我们设定4个电池组供电都是额定电压50V直流。逆变器是三电平三相逆变器。

在这样的设计下主回路如下图

图 4 三电平双逆变器异步电机开绕组主回路图示

在图4中50V额定电池电压,加在电机的线电压峰谷差是200V,故电机线电压有效值约为141V。在工况1电控方案中。70KW最高电机线电流在300A以内。这是较经济的电机电流。

也就是说,工况1电控方案中是单轴驱动的70KW峰值功率的最佳方案。

如果使用两轴四驱可以满足绝大多数乘用车的工况动力需求。

学习后记:

以上内容只是大学课本的知识点记录,这种成熟的技术主要利用于大功率高电压变频电机的控制。而实际上汽车上应用这样的设计效果更佳。

但为什么没有市面上的电动车采用这样的方案,成本这样的方案并不高。100V耐压数十安的IGBT成本在百元以内,数百安成本也在300元以内。车规级的电子元器件再贵,双电压双逆变器异步电机开绕组电驱成本也会在5000左右。

由于工况1电控方案采用了50V电池组可扩展,车载电池组只有160公里。如果出行需要更多里程。车主可以手工搬运50V电池组。20度~40度电容量,200wh/kg。重量在100~200公斤。跟长途出行时搬运的行李相当。当车载电池组续航达360公里时绝大多数出现不需要增加电池组。而中途电量不足可以到专门换电站换电,其便利性跟加油相当。也就是说车主购买车辆上电池只有160~360公里续航,并且没有里程焦虑的问题。

综上,工况1电控方案是目前学习到知识中,较优的方案。优势在于电控成本低,控制质量好,技术成熟。作为一个双电压系统,48V换电来说,如何优先消耗其中一个电池的控制方式还需更新。利用多级串并联2H电桥。优先将其中一组电池电量用完。并能够实现电控自动投切电池组。即以50Vx4的电池100A输出,即20KW为一个模组并联。或者非对称绕组两端电压提高电机功率,优先消耗电量较少,电压较低的电池组。20KW一个模组并联实现成本,即电池BMS也更好设计一些。

声明: 本文由入驻维科号的作者撰写,观点仅代表作者本人,不代表OFweek立场。如有侵权或其他问题,请联系举报。

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