汽车电子控制技术第六章课件.pptx
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- 汽车 电子 控制 技术 第六 课件
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1、第六章新能源和智能网联汽车电子控制目录新能源汽车电子控制智能网联汽车电子控制0102第一节 新能源汽车电子控制一、新能源汽车的定义与分类二、纯电动汽车电池电机控制技术三、混合动力汽车功率分配器控制技术四、燃料电池电动汽车电池电机控制技术一、新能源汽车的定义与分类一、新能源汽车的定义与分类新能源汽车是指采用非常规的车用燃料作为动力来源(或使用常规的车用燃料、采用新型车载动力装置),综合车辆的动力控制和驱动方面的先进技术,形成的具有新技术、新结构的原理先进的汽车。一、新能源汽车的定义与分类一、新能源汽车的定义与分类1.纯电动汽车纯电动汽车是一种采用单一蓄电池作为储能动力源的汽车,它利用蓄电池作为储
2、能动力源,通过电池向电动机提供电能,驱动电动机运转,从而推动汽车行驶。它的优点是,技术相对简单成熟,只要有电力供应的地方都能够充电。但它也有相应的缺点,即蓄电池单位质量储存的能量太少,还有因电动汽车的电池较贵,又没形成经济规模,故购买价格较高;一、新能源汽车的定义与分类一、新能源汽车的定义与分类2.混合动力汽车混合动力汽车可分为两大类,即液压蓄能式混合动力汽车和混合动力电动汽车。液压蓄能式混合动力汽车由液压驱动系统和热力发动机驱动系统组成。混合动力汽车是指驱动系统由两个或多个能同时运转的单个驱动系统联合组成的车辆,车辆的行驶功率依据实际的车辆行驶状态由单个驱动系统单独或多个驱动系统共同提供。混
3、合动力汽车优点:采用混合动力后可按平均需用的功率来确定内燃机的最大功率,发动机相对较小,此时处于油耗低、污染少的最优工况下工作。一、新能源汽车的定义与分类一、新能源汽车的定义与分类3.燃料电池电动汽车燃料电池电动汽车是利用氢气和空气中的氧在催化剂的作用下,在燃料电池中经电化学反应产生的电能作为主要动力源驱动的汽车。燃料电池电动汽车的优点是,零排放或近似零排放;减少了机油泄漏带来的污染;降低了温室气体的排放;燃油电池的转化效率高(60%左右),整车燃油经济性良好;运行平稳、无噪声。它的缺点是,燃料电池成本高昂,同时使用成本(氢)也昂贵。一、新能源汽车的定义与分类一、新能源汽车的定义与分类 4.其
4、他新能源汽车 除以上新能源汽车之外,还有氢发动机汽车,是以氢发动机为动力源的汽车。一般发动机使用的燃料是柴油或汽油,氢发动机使用的燃料是气体氢。氢发动机汽车是一种真正实现零排放的交通工具,排放出的是纯净水,其具有无污染、零排放、储量丰富等优势。二、纯电动汽车电池电机控制技术二、纯电动汽车电池电机控制技术电动汽车具有电动机驱动系统、能量管理系统、电池组充电系统、电池组管理系统、再生制动能量回收控制系统等。另外,动力电池组是纯电动汽车的唯一能源,传统汽车中依赖于发动机驱动的空调系统、动力转向系统、制动系统、低压电气系统的电源都需要进行电动化的改造。二、纯电动汽车电池电机控制技术二、纯电动汽车电池电
5、机控制技术电动汽车的控制策略和控制系统其需要完成的任务如下:1)在操纵装置和操纵方法上继承或沿用内燃机汽车主要的操纵装置和操纵方法,适应驾驶人的操作习惯,使操作简单化和规范化。2)在EV控制系统中,采用全自动或半自动的机电一体化控制系统,达到安全、可靠、节能、环保和灵活的目的。3)提高电池的比能量和比功率,实现电池的高能化。4)采用高效率的电流转换系统和高效率的驱动电动机,提高电动机和驱动系统的效率。5)采用流线型车身,降低EV的迎风面积和空气阻力系数。6)回收再生制动能量,延长EV的行驶里程,提高EV的节能。二、纯电动汽车电池电机控制技术二、纯电动汽车电池电机控制技术(一)电动汽车电动机驱动
6、控制1.电动汽车驱动装置的组成与类型电动汽车驱动装置包括电动机、电动机控制器及传动机构。二、纯电动汽车电池电机控制技术二、纯电动汽车电池电机控制技术(1)按驱动装置的组成形式分类1)机械驱动方式。这种驱动方式的驱动装置除电动机外,通常还包括变速器、传动轴、后桥和半轴等传动部件。2)半机械驱动方式。半机械驱动方式取消了传动效率低、操作烦琐的齿轮变速器,只采用了减速齿轮、差速器、半轴等一部分机械传动装置来传递动力。半机械驱动方式可充分利用电动机的无级变速和调速范围宽的特点。3)纯电力驱动方式。纯电力驱动方式无机械传动机构,驱动装置由左右两个双联式电动机或轮毂式电动机组成,分别直接驱动左右两个驱动车
7、轮。纯电力驱动方式的传动效率高,可利用的空间大,驾驶操作简便,但对电动机控制器的要求较高。二、纯电动汽车电池电机控制技术二、纯电动汽车电池电机控制技术(2)按驱动电动机数量分类1)单电动机驱动系统。驱动系统只用一个电动机,能最大限度地减小电动机部分的体积、质量及成本,但必须配备机械传动机构。2)多电动机驱动系统。采用多个电动机,每个电动机单独驱动一个车轮。多电动机驱动系统能降低单个电动机的电流和额定功率,效率较高,容易均衡电动机的尺寸和质量,但必须安装电子差速器或采用电子控制系统实现差速,因而成本较高。二、纯电动汽车电池电机控制技术二、纯电动汽车电池电机控制技术 2.电动汽车用电动机的类型(1
8、)按电动机的工作电源分类1)直流驱动电动机。输入电动机的电流方向不变。直流驱动电动机有励磁式和永磁式两种。励磁式直流驱动电动机磁极有励磁绕组,通入电流后产生方向不变的磁场;永磁式直流驱动电动机的磁极为永久磁铁,这种形式的电动机在电动汽车上很少应用。2)交流驱动电动机。通过控制器将电源的直流电转换为正弦波交流电,输入定子绕组后产生旋转磁场。交流驱动电动机有交流异步电动机和永磁式同步电动机两种类型。3)方波驱动电动机。通过控制器将电源的直流电转换为方波交流电或脉冲直流电。由交流方波或脉冲电压驱动的电动机有永磁无刷直流电动机和开关磁阻电动机两种类型。二、纯电动汽车电池电机控制技术(2)按电动机的结构
9、与工作原理分类1)励磁式直流电动机。通过电刷将直流电引入转动的电枢绕组,励磁绕组通电产生磁场,电枢产生电磁转矩。根据磁极励磁方式不同,励磁式直流电动机又分为并励式、串励式和复励式三种。2)交流异步电动机。定子绕组输入正弦波交流电,转子转动频率与交流电源频率不同步,故称为交流异步电动机。这类电动机根据转子的结构不同又可分为笼型异步电动机和绕线转子异步电动机两种。3)交流同步电动机。定子绕组输入正弦波交流电,但转子的转动与交流电同频率,根据转子结构不同又可分为永磁式和绕线式两种。4)永磁无刷直流电动机。转子是永久磁铁,因此无需电刷,通入电动机定子绕组中的电流为直流脉冲电流。5)开关磁阻电动机。转子
10、和定子均为双凸极结构,转子没有绕组,定子有简单的集中绕组,其工作原理与前面几种类型的电动机不同。二、纯电动汽车电池电机控制技术电动汽车用驱动电动机的分类如图6-1所示。图6-1 电动汽车用驱动电动机的分类二、纯电动汽车电池电机控制技术二、纯电动汽车电池电机控制技术 3.电动汽车用电动机的控制(1)交流异步电动机的控制1)交流异步电动机的矢量控制直流电动机之所以具有良好的控制特性,其根本原因是被控参量只有磁极磁场和电枢电流,且这两个量互相独立。此外,电磁转矩与磁通和电枢电流之间均为线性关系。如果能够模拟直流电动机,求出交流电动机电磁转矩与之对应的磁场和电枢电流,并分别加以控制,就会使交流电动机具
11、有与直流电动机近似的控制特性。为此,必须将三相交变量(矢量)转换为与之等效的直流量(标量),建立起交流电动机的等效模型,然后按直流电动机的控制方法对其进行控制。二、纯电动汽车电池电机控制技术二、纯电动汽车电池电机控制技术交流异步电动机矢量控制是基于磁场定向的方法。基于转子磁场定向矢量控制原理的交流异步电动机的变频控制系统组成框图如图6-2所示。图6-2 基于转子磁场定向矢量控制原理的交流异步电动机的变频控制系统组成框图二、纯电动汽车电池电机控制技术二、纯电动汽车电池电机控制技术交流异步电动机矢量控制的实质是通过坐标变换重建电动机数学模型,将交流异步电动机等效为直流电动机,从而像直流电动机那样对
12、交流异步电动机进行实时的转矩和转速控制。其主要的特点如下:可以从零转速开始进行速度控制,因此,调速范围很宽。转速控制响应速度快,且调速精度较高,低速特性连续。可以对转矩实行较为精确的控制,电动机的加速特性也很好。系统受电动机参数变化的影响较大,且计算复杂,控制相对烦琐。二、纯电动汽车电池电机控制技术二、纯电动汽车电池电机控制技术2)交流异步电动机的直接转矩控制交流异步电动机直接转矩控制系统主要由磁链调节器、转矩调节器、磁链和转矩观测器、转速调节器等组成。直接转矩控制是指在定子坐标系下通过检测电动机定子电压和电流,采用空间矢量理论计算电动机的转矩和磁链,并根据与给定值比较所得到的差值,实现转矩和
13、磁链的直接控制。图6-3 交流异步电动机直接转矩控制系统框图二、纯电动汽车电池电机控制技术二、纯电动汽车电池电机控制技术直接转矩控制过程如下:通过相关传感器获得定子电流和电压的-分量信号。传感器的信号输入磁链观测器和转矩观测器,计算得到定子磁链和转矩的实际f、Mf。将定子磁链的实际值f与给定值g通过滞环比较器进行比较,并输入磁链调节器实现磁链的子控制。将转速测量值nf与给定值ng进行比较,通过转速调节器获得转矩给定值Mg,再将转矩给定值Mg和实际值Mf输入转矩调节器,实现转矩的自控制。二、纯电动汽车电池电机控制技术二、纯电动汽车电池电机控制技术交流异步电动机直接转矩控制相比于交流异步电动机的矢
14、量控制,具有如下特点:调速精度较高,相应速度快。计算简便,而且控制思想新颖,控制结构简单,控制手段直接。信号处理的物理概念明确,动、静态性能均佳。调速范围较窄,低速特性有脉动现象。二、纯电动汽车电池电机控制技术二、纯电动汽车电池电机控制技术(2)永磁无刷直流电动机的控制1)永磁无刷直流电动机的控制方法永磁无刷直流电动机的磁场是非正弦的,采用与直流电动机相同的控制方法,即通过调节占空比的斩波器控制方法实现电动机转矩与转速的控制。二、纯电动汽车电池电机控制技术二、纯电动汽车电池电机控制技术永磁无刷直流电动机的主控电路如图6-4所示。电子开关触发电路每次触发两个晶体管导通时,接通两相定子绕组,每隔6
15、0电角度换向一次,每个晶体管导通120电角度。各次换向晶体管的导通顺序依次为+A-B、+A-C、+B-C、+B-A、+C-A、+C-B,依次记为状态S1、S2、S3、S4、S5、S6。图6-4 永磁无刷直流电动机的主控电路二、纯电动汽车电池电机控制技术二、纯电动汽车电池电机控制技术在每个状态中,对上桥臂晶体管作用PWM(占空比信号),控制其导通时间,而相应的下桥臂晶体管则处于常导通状态,见表6-1。这样,控制器通过占空比信号控制定子绕组的通电时间,实现电动机的转速控制。状态VT1(+A)VT2(-A)VT3(+B)VT4(-B)VT5(+C)VT6(-C)S1PWMOFFOFFONOFFOFF
16、S2PMWOFFOFFOFFOFFONS3OFFOFFPWMOFFOFFONS4OFFONPWMOFFOFFOFFS5OFFONOFFOFFPWMOFFS6OFFOFFOFFONPWMOFF表6-1 三相无刷直流电动机控制的六个换向状态二、纯电动汽车电池电机控制技术二、纯电动汽车电池电机控制技术2)永磁无刷直流电动机的控制原理。永磁无刷直流电动机的控制原理如图6-5所示。三相定子绕组电流ia、ib、ic经绝对值处理后相加并除以2,得到反馈电流iF。iF与给定电流IREF进行比较,对其误差进行PI调节(PWM的脉冲宽度)。调节过程:当IFIREF时,使PWM脉冲变窄。由于调节器的响应速度很快,因
17、而反馈电流IF始终跟随给定值IREF,对PWM的脉冲宽度及时做出调整。图6-5永磁无刷直流电动机的控制原理二、纯电动汽车电池电机控制技术二、纯电动汽车电池电机控制技术(3)永磁交流同步电动机的控制相对于永磁无刷直流电动机,永磁交流同步电动机的控制较为复杂。为了使永磁交流同步电动机有直流电动机那样的优良控制特性,永磁交流同步电动机的控制如同交流异步电动机,先后提出了多种控制方法,如恒压频比开环控制、矢量控制、直接转矩控制、自适应控制、滑模变结构控制、模糊控制、神经网络控制等。二、纯电动汽车电池电机控制技术二、纯电动汽车电池电机控制技术 (二)电动汽车蓄电池管理 1.蓄电池管理系统的必要性电动汽车
18、的蓄电池具有以下缺点:(1)大容量单体电池容易产生过热汽车动力电池采用大容量单体锂电池容易产生过热。(2)电池的性能不完全一致基于现有的正极材料和电池制造水平,单体电池之间尚不能达到性能的完全一致,在通过串并联方式组成大功率大容量动力电池组后,苛刻的使用条件也易诱发局部偏差,从而引发安全问题。二、纯电动汽车电池电机控制技术二、纯电动汽车电池电机控制技术(3)电池成组后的主要问题1)过充/过放。串联的电池组充放电时,部分电池可能先于其他电池充满或放完。继续充放电就会造成过充或过放,锂电池的内部副反应将导致电池容量下降、热失控或者内部短路等问题。2)过大电流。并联、老化、低温等情况,均会导致部分电
19、池的电流超过其承受能力,降低电池的寿命。3)温度过高。局部温度过高,会使电池的各项性能下降,最终导致内部短路和热失控,产生安全问题。4)短路或者漏电。因为振动、湿热、灰尘等因素造成电池短路或漏电,威胁驾乘人员的人身安全。二、纯电动汽车电池电机控制技术二、纯电动汽车电池电机控制技术蓄电池管理系统的功能之一就是避免电池组出现上述问题,动态监测动力电池组的工作状态,实时采集每块电池的端电压和温度、充放电电流及电池组总电压,估算出各电池的荷电状态,安全状态和电化学状态,然后通过控制其他器件,防止电池发生过充电或过放电现象,同时能够及时给出电池状况,找出有故障电池所在箱号和箱内位号,挑出有问题的电池,保
20、持整组电池运行的可靠性和高效性。二、纯电动汽车电池电机控制技术二、纯电动汽车电池电机控制技术2.蓄电池管理系统的结构蓄电池管理系统最基本的作用是进行电池组管理,还包括电线线路管理、热(温度)管理和电压平衡控制。(1)电池组管理系统管理电池的工作情况,避免出现过放电、过充电、过热,对出现的故障应能及时报警,以便最大限度地利用电池的存储能力和循环寿命。(2)电线线路管理系统管理动力电池组分组及连接、动力电线束、手动或自动断电器、传感器的类型以及传感器电线束。(3)热(温度)管理系统负责电池组组合方式、电池组分组和支架布置、通风管理系统和风扇、温度管理ECU及温度传感器、热能的管理与应用。(4)电压
21、平衡控制系统平衡各电池的充电量,能延长电池寿命,并对更换后的新电池进行容量平衡。二、纯电动汽车电池电机控制技术二、纯电动汽车电池电机控制技术3.蓄电池管理系统的功能(1)蓄电池测量和监控系统蓄电池管理系统是混合动力汽车支持电池管理的系统。系统的作用是对电池的组合、安装、充电、放电、电池组中各个电池的不均衡性、电池的热管理和电池的维护等进行监控和管理(2)动力电池组的安全管理动力电池组管理系统要承担动力电池组的全面管理,一方面保证动力电池组的正常运作,显示动力电池组的动态响应并及时报警,使驾驶人随时都能掌握动力电池组的情况;另一方面要对人身和车辆进行安全保护,避免因电池引起的各种事故。(3)电池
22、箱热管理系统汽车上使用的动力电池组在工作时都会有发热现象,不同的蓄电池的发热程度各不相同,有的蓄电池在夏季采用自然通风即可满足电池组的散热要求,但有的蓄电池则必须采取强制通风来进行冷却,才能保证电池组正常工作并延长蓄电池的寿命。二、纯电动汽车电池电机控制技术二、纯电动汽车电池电机控制技术(4)动力电池组的均衡管理电池组有别于单体电池,在目前的锂电池制造水平下,单体之间的性能差异在其整个生命周期里不可避免地存在,组合成多节串联电池组后如不采取技术措施,单体电池在充放电过程中的不一致会导致单体电池由于过充、过放而提前失效,要想避免单体电池由于过充、过放导致提前失效,使电池组的性能指标达到或者接近单
23、体电池的水平,必须对电池组中单体电池进行均衡控制,电池组均衡的使命是,将多节串联后的电池组内部各电池单体充放电性能恶化减到最小或使其消失。(5)电池状态故障诊断故障诊断功能是BMS的重要组成部分,故障诊断可以在动力电池组工作过程中,实时掌握电池的各种状态,甚至在停机状态下也能将电池的故障信息定位到动力电池系统的各个部分。故障级别分为:一般故障、警告故障和严重故障。BMS根据故障的级别将电池状态归纳成尽快维修、立即维修和电池寿命警告三类信息传递到仪表板以警示驾驶人,从而保护电池不被过分使用。二、纯电动汽车电池电机控制技术二、纯电动汽车电池电机控制技术1)BMS的重要诊断内容:起动过程的BMS硬件
24、故障诊断,包括传感器信号的合理性诊断、电池组电压信号合理性诊断、电池模块电压合理性诊断、起动过程电流信号合理性诊断、起动过程温度信号合理性诊断;行车过程的BMS诊断,包括电压波动诊断、无模块电压诊断、无电池组电压诊断、无温度信号诊断、电流故障诊断、流量传感器故障诊断、模块电压一致性故障诊断、过流故障诊断、通信系统故障诊断、通风机故障诊断、高压电控故障诊断、模块电压的过充诊断、电池组电压的过充诊断、模块电压变化率的过充诊断、电池组电压变化率的过充诊断、SOC的过充诊断、传感器温度的过充诊断、平均温度的过充诊断、传感器温度变化率的过充诊断、平均温度变化率的过充诊断、模块电压的过放诊断、电池组电压的
25、过放诊断、模块电压变化率的过放诊断、电池组电压变化率的过放诊断、SOC的过放诊断、传感器温度的过放诊断、平均温度的过放诊断、传感器温度变化率的过放诊断、平均温度变化率的过放诊断。二、纯电动汽车电池电机控制技术二、纯电动汽车电池电机控制技术2)诊断策略与失效处理:根据各故障原因,对各种故障诊断分别设置了诊断程序的进入与退出条件;采用分时诊断流程,节约CPU时间资源;根据电池充电倍率,动态调节充电诊断过程参数;根据电池放电倍率,动态调节放电诊断过程参数;故障诊断分三种不同级别进行(报警、故障与危险);故障诊断结果通过CAN总线送至VMS(速度测量系统);故障诊断结果参与电池实际工作电流的控制;故障
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