電動汽車電驅動系統詳解及常見故障分析
一、電動汽車系統組成
如果把電動汽車看生是一個大系統,則系統主要由電力驅動子系統、電源子系統和輔助子系統組成。電驅動系統主要由四大部分組成:驅動電機、變速器、功率變換器和控制器。驅動電機是電氣驅動系統的核心,其性能和效率直接影響電動汽車的性能。驅動電機和變速器的尺寸、重量也會影響到汽車的整體效率。功率變換器和控制器則對電動汽車的安全可靠運行有很大關系。驅動系統的功能是將儲存在蓄電池中的電能高效地轉化為車輪的動能進而推進汽車行駛,并能夠在汽車減速制動或者下坡時,實現再生制動。
下圖表示一種典型的電動汽車系統組成,圖中雙線表示機械連接;粗線表示電氣連接;細線表示控制信號連接;線上的箭頭表示電功率或控制信號的傳輸方向。來自加速踏板的信號輸入電子控制器并通過控制功率變化器來調節電動機輸出的轉矩或轉速,電動機輸出的轉矩通過汽車傳動系統驅動車輪轉動。充電器通過汽車的充電接口向蓄電池充電。在汽車行駛時,蓄電池經功率變換器向電動機供電。當電動汽車采用電制動時,驅動電動機運行在發電狀態,將汽車的部分動能回饋給蓄電池對其充電,并延長電動汽車的續駛里程。
二、電動汽車電驅動系統特點
電動汽車電驅動系統是區別于內燃機汽車的最大不同點。電動汽車對驅動系統的要求很高。電動知家總結,電動汽車驅動系統應符合下列要求:
1)瞬時功率大,短時過載能力強,以滿足爬坡及加速的需要;
2) 調速范圍寬廣;
3) 在運行的全部速度范圍和負載范圍內,具有較高的效率。也就是在電機所有工作范圍內綜合效率高, 以盡量提高電動汽車一次續駛里程;
4) 可靠性高,使用方便簡單,價格低廉;
5) 功率密度高,體積小,質量輕。
三、電動汽車電驅動系統構成
1.電動汽車驅動電機
選用小型輕量的高效電機,對目前電池容量較小、續駛里程較短的電動汽車現狀顯得尤為重要。早期電動汽車驅動電機大部分采用他勵直流電機(DCM)。直流電機驅動系統改變輸入電壓或電流就可以實現對其轉矩的獨立控制,進行平滑調速,具有良好的動態特性,并且有成本低、技術成熟等優點。但是,直流電機的絕對效率低,體積、質量大,碳刷和換向器維護量大,散熱困難等缺陷,使其在現代電動汽車中應用越來越少。隨著電力電子技術、大規模集成電路和計算機技術的發展以及新材料的出現和現代控制理論的應用,機電一體化的交流驅動系統顯示了它的優越性,如效率高、能量密度大、驅動力大、有效的再生制動、工作可靠和幾乎無需維護等,使得交流驅動系統開始越來越多地應用于電動汽車中。目前在電動汽車中,主要采用永磁同步電機(PMSM)驅動系統、開關磁阻電機(SRM)驅動系統和異步感應電機(肼)驅動系統。
2.變速器
電動汽車用的驅動電機具有寬廣的運行范圍,并且在低速恒轉矩區和高速弱磁區具有良好的轉矩.轉速性能,為了提高傳動系統效率,可以去掉內燃機汽車中必備的十分笨重的機械齒輪變速器,代之以固定速比減速器的傳動系統。固定速比的確非常重要,如果選擇不合適,將對整車的性能產生不利影響。通過多次仿真和實驗測試,可對電動汽車的固定速比進行優化設計,使之具有良好的傳動性能。
3.功率變換器
在現代電動汽車電驅動系統中,通過功率變換器將電池儲存的直流電經電壓/頻率變換后供給電機和其他交流負載使用。功率轉換器技術發展的目標是要達到高功率密度、高效率、高可控性和高可靠性。功率變換器常見的是三相全橋的拓撲結構,其中,尤以電壓型逆變器為研究最多,而控制方式也是PWM調制占主流。此外,某些電驅動系統的能量源如超級電容等,也會用到DC—DC變換器以控制各能量源的功率流動。對于電動汽車,在選用功率器件時,必須考慮額定值、轉換效率、功率損耗、基極/門極的可驅動性、動態特性、堅固可靠性、成熟性與成本等要求。
4、電子控制器
電子控制器即電動機調速控制裝置是為電動汽車的變速和方向變換等設置的,其作用是控制電動機的電壓或電流,完成電動機的驅動轉矩和旋轉方向的控制。在早期的電動汽車上,直流電動機的調速采用串接電阻或改變電動機磁場線圈的匝數來實現。因其調速是有級的,且會產生附加的能量消耗或使用電動機的結構復雜,現在已很少使用。目前,電動汽車上應用較廣泛的是晶閘管斬波調速,通過均勻地改變直流電動機的端電壓,控制電動機的電流,來實現電動機的無級調速,在電力電子技術的不斷發展中,它也逐漸被其他電力晶體管(如GTO,MOSFET,BTR及IGBT等)斬波調速裝置所取代。
四、電動機驅動系統常見故障分析
電動機驅動系統的故障主要分為電動機故障與電動機控制器故障。
電動機是電能和機械能轉換,實現車輛驅動的關鍵部件,是典型的機電混合體。電動機故障涉及因素較多,如電路系統、磁路系統、絕緣系統、機械系統以及通風散熱系統等。任何一個系統工作不良或其相互之間配合不好均會導致電動機出現故障,所以,電動機故障要比其他設備的故障更復雜,電動機故障診斷所涉及的技術范圍更廣。
此外,電動機的運行還與其負載情況、環境因素有關。電動機在不同的狀態下運行,表現出的故障狀態各不相同,這進一步增加了電動機故障診斷難度。通常而言,電動機的故障可分為機械故障與電氣故障。機械方面的主要故障有定子鐵芯損壞、轉子鐵芯損壞、軸承損壞和轉軸損壞,其故障原因為由振動、潤滑不充分、轉速過高、靜載過大、過熱而引起的磨損、壓痕、腐蝕、電蝕和開裂等;電氣方面的故障則主要是定子繞組故障與轉子繞組故障,故障原因包括電動機繞組接地、短路、斷路、接觸不良和鼠籠斷條等。
因為器件本身的結構和物理特性以及相互間的電磁兼容性問題,電動機控制器故障也成為電動機驅動系統發生故障的主要原因。電動機控制器的故障主要包括以下幾類:IGBT故障、輸入電源線和接地線故障、整流二極管短路、直流母線接地錯誤、直流側電容短路、晶閘管短路、溫度超限報警、相電流過流、過電壓以及欠電壓等高壓電氣系統故障。
電動機常見故障及處理方法見表2。主電動機控制器常見故障及處理方法見表3。
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