低电压大功率电动车电控设计之:变相变极变频控制

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摘要:

1:首次提出变相变极的调速方法,并将其应用在电动车电控设计中。

2:首次提出比轮毂电机更有应用前景的长柱形电动机,从电机功率密度,构件复用,散热性能及安全性来看,长柱形电动机是最适合用于电动车电机的。

在所有的电机控制课本中,交流直流电机的调速的本质是什么?如何从调速的本质优化电动车电控方案?

在学习时,这两个问题带来了解决问题的方向。根据郑萍《电机机电能量转换原理》

图 1 机电换能器方框图

调速属于机电换能器。在这本书中,尽管用数学很详尽地解释了机电能量转换关系。却没有给出电机调速的本质。

通过学习总结得出:电动机调速的本质是能量有序地转换为变化的磁场,通过磁力作用到机械形变。

那么如何通过这样的本质特性优化电机调速,并形成一种较优的电动车电控方案呢?

抓住两个字"有序能量转换"

图 2 电机调速的本质

如图2,所有的电机都是利用导体产生变化的磁场获得动力。如何有序地掌控能量,如何合理地调速成为电动车电控的关键。

电场和磁场的变化耦合的最佳形式是正弦波式变化。故交流电动机调速也是最佳的。

通过工况匹配,对现有技术的筛选。得到三相同步或异步电动机是最佳的。

但目前电动车电控方案存在一个很大的问题,有序的能量变换方式不是最佳的。

为什么这样说呢?

当前的三相异步电机控制方案中,电池里的负电荷从负极出发,经过SPWM变换,到达电机实现电磁耦合能量变化,然后从正极回来锂离子上,实现电荷中和。这个负电荷走完了一整个闭环回路。

图 3 双逆变器三相电机开绕组理想电路

如3中,负电荷只需要经过一半的路径。这样的路径短了之后呢?负电荷走的路短,消耗的能量就少了。

我们进一步简化

图 4 单相开绕组双逆变器简化电路

如图4是一个单相电感,两边是变化的有序正弦波电压,能量可以从左右两边的电池向电机绕组移动,也可以在制动时将能量反馈给电池。当然也可以在左右电池流动。当这是单相的 时候,其优势不能发挥。当3~9相并实现变相变极的时候,你就会发现这是一种有序控制电磁能量的较佳方式。

图 5 九相变相变极异步电动机控制主回路

如5所示。4个独立的50V电池组、若干逆变器组和一个九相异步电动机。我们假定每相绕组功率在5~10KW,那么九相可以得到45~90KW的总功率。而通过控制每一相的电压、电位角、及串接接线方式。我们就能够得到一个变相变极的调速方式。外加简单调频,就可以得到超越现在所有电动车电控方案的调速方式。

这种调速方式的调速性能不只是调速性能好,更多的是实现了能量的有序控制。此外,如果优先实现将其中一个或多个电池组电量用完,可以停车就更换电池组。以一辆百公里10~20度耗电量的车辆计算,每行驶一百公里,更换掉其中一个电量最少的电池组。那么其更换电池的重量较轻,便捷性超过加油。从而解决了电动车的里程焦虑、充电难题。

然而,这种电控方式的还会带来更多的变化,尤其是电动机。我曾花非常多的时间去学习电动机构造设计,认为长柱形电动机比轮毂电机更适合电动车,因长柱形电机可以将定子绕组融入车身,成为为车体的一部分且传动结构也较轮毂电机简单,更重要的是其散热性能更高。轴向电机的高功率密度是电磁耦合面更宽,而长柱形电机可以超越轴向电机的功率密度。

比如,如果我们将一个30KW的三相异步电动机设计成长达1米的,细长圆柱电机。定子是壳体与车身融为一体,定子是车轴与传动融为一体。而双逆变器开绕组的接线方式可以让电控及整车布局更加节省空间。将电机做成长柱形还能节省电缆。

如果没有变相变极的调速,没有采用开绕组双逆变器。长柱形电机没有优势。

目前市面上没有这样的产品,更多是长宽接近的矩形电机,大直径电机扭矩更高。

以上是学习过程中一些笔记心得。

来源:第一电动网

作者:LY说新能源

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