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汽车|车用高性能永磁电机驱动系统的研发( 二 )


汽车|车用高性能永磁电机驱动系统的研发
本文插图

图1智能IGBT功率模块及60k W高功率密度电机控制器
1. 2 直流侧支撑电容的选择
在由蓄电池储能的电动汽车中 ， 由于蓄电池组内部等效电容很大 ， 一般在法拉量级［3］ ， 对直流电压的滤波可主要由蓄电池组实现 ， 支撑电容并不独自承担电压滤波的功能 。 由于平稳的输出电流有利于提高蓄电池组的使用寿命 ， 因而在正常工况下 ， 希望蓄电池组输出电流Iin接近于理想直流 ， 此时直流侧电容须吸收因IGBT不停开关所造成的脉动电流 ， 导致直流侧电容电流Icap不断脉动 ， 因此在蓄电池组供电的条件下 ， 直流侧电容的选取主要考虑其能提供的纹波电流有效值的大小 ， 而电容值可相对选取较小 。
直流侧支撑电容的传统设计方法是采用一组串并联的电解电容 ， 体积大而且可靠性不高 ， 难以进一步提升功率密度 。 采用聚合物膜( 金属聚丙烯膜) 作为电介质的金属膜电容体积小、高频特性好具有更大的电流提供能力和更低的等效电阻; 寿命可达到100 000h ， 而 普 通电解电容只有5 000 ～10 000h 。 这些特征使金属膜电容非常适合电动汽车的应用条件［4 － 5］ 。 高功率密度的车用电机控制器采用新型220μF/600V金属膜电容作为直流侧支撑电容 。 该电容采用金属聚丙烯膜作为电介质 ， 工作温度可达到105℃ 。 10k Hz时能够提供有效值为100A的峰值纹波电流 ， 开关频率即使在20k Hz时 ， 也仍保持容性阻抗特性 ， 同时电容值可随开关频率增加而增加 。 很明显 ， 膜电容具有低感、高频特性好和大电流提供能力等优点 ， 非常适合较高频率条件下应用 。
1. 3高功率密度电机控制器的研发
应用智能IGBT功率模块和金属膜电容技术所研制的60k W 高功率密度电机控制器如图1(c) 所示 ， 该控制器的质量比功率为4k W/kg ， 体积比功率为6k W/L 。
2 广域高效混合励磁电机
无刷永磁电机具有高能量密度、体积小、质量轻和效率高等优点 ， 在电动汽车中具有极好的应用前景 ， 已应用于国内外多种电动车辆 。 但其永磁磁链无法调节的缺点在恒定供电电压下会带来弱磁控制问题: 车辆动力性能要求电机系统在高转速下具有较宽的恒功率调速范围以保证车辆的高速性能 。 由于受到电池电压的限制 ， 目前大部分永磁电机系统采用增加定子绕组去磁电流的方法来抵消永磁磁场 ， 从而达到恒定供电电压下弱磁调速的目的 ， 但这种方法降低了系统效率和功率因数 ， 增加了控制器成本 ， 同时还存在深度弱磁控制时稳定性差和高速失控时的电压安全问题 。 混合励磁电机能解决以上问题 。
2. 1 旁路式混合励磁电机的基本原理
混合励磁电机是在永磁电机与电励磁电机的基础上演变而来 ， 通过在永磁电机中引入电励磁绕组使电机获得励磁可控的性能 ， 电机更适合于宽速度范围、高弱磁比的应用场合 ， 弥补了单一励磁方式的不足 。 中国科学院电工研究所以旁路式混合励磁电机为研究对象 ， 在电机结构、电机参数特性、电机数学模型和励磁电流规划等方面进行了深入研究 。 旁路式混合励磁电机工作原理如图2 所示 ， 为最大程度继承永磁电机高效和高功率密度的优点 ， 电机励磁主要由永磁磁势提供 ， 电励磁磁势主要用于增强或削弱主磁路磁通 ， 通过调节电励磁电流大小实现电励磁助磁与弱磁功能 。
(1) 助磁工况
电励磁助磁工况下的磁路如图2( a) 所示 。 N 极侧的电励磁磁力线从电励磁端盖通过轴向气隙进入电机转子N 极 ， 与永磁体磁力线一同通过主气隙与电枢绕组交链 ， 一部分磁力线通过端盖闭合 ， 另一部分磁力线通过电机轭部与主气隙进入转子S极 ， 通过S
极侧轴向气隙进入电励磁旁路闭合 。
(2) 弱磁工况
电励磁弱磁通过励磁电流反向实现 ， 反向的电励磁磁势与永磁体磁势建立与助磁工况下电励磁旁路中相反的磁力线方向 ， 部分永磁体磁力线不经过主气隙与电枢绕组交链 ， 实现电机弱磁运行 。


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