矢量變頻器在混合動力電動汽車中的應(yīng)用
發(fā)布時間：2019-08-02 10:17:10來源：
矢量變頻器在混合動力電動汽車中的應(yīng)用
1 引言 混合動力電動汽車是指以蓄電池組作為動力源，用電動機和發(fā)動機驅(qū)動車輪行駛。電動機不排放有害氣體并且和發(fā)動機混合驅(qū)動可以大大減少有害氣體的排放量。目前城市大氣污染總量的半數(shù)以上來自燃油汽車尾氣,從大氣環(huán)保出發(fā)，自20世紀(jì)60年代起，日、美、歐等發(fā)達(dá)國家爭相開展混合動力電動汽車的研究開發(fā)工作。我國也已與20世紀(jì)80年代開始，以電力電子為基礎(chǔ)的電氣傳動技術(shù)的進步，為混合動力電動汽車的開展提供了先進的物質(zhì)基礎(chǔ)；機電一體化技術(shù)的興起與發(fā)展，為燃油汽車這一典型的機械產(chǎn)品向機電一體化方向演變提供了十分豐富的技術(shù)經(jīng)驗。混合動力電動汽車的機電一體化配置模式，控制方法，還處在百花齊放的階段，既不成熟，也未定型。為了保證混合動力電動汽車和諧有序發(fā)展，國家已創(chuàng)造了一個良好的政策環(huán)境、市場環(huán)境和消費環(huán)境,因為發(fā)展混合動力電動汽車對節(jié)約能源、緩解環(huán)境污染具有重要意義,并且汽車工業(yè)是耗油大戶，目前我國汽車工業(yè)的耗油量占石油消耗的1/4。2004年，我國產(chǎn)油1.7億噸，進口突破1億噸，石油消耗量占世界石油消耗量近20％，但GDP只占世界GDP的4％，在這種情況下，發(fā)展取代燃油型交通工具的混合動力電動汽車對我國經(jīng)濟和社會的可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。另外，汽車業(yè)的發(fā)展給環(huán)境保護帶來比較大的壓力，混合動力電動汽車廢氣排量少之又少，噪音污染很小，發(fā)展混合動力電動汽車可大大減輕環(huán)境污染方面的壓力。普傳PI7000矢量控制變頻器已成功應(yīng)用到混合動力環(huán)保、節(jié)能型電動汽車系統(tǒng)中，已通過長期的各種試驗與檢驗，現(xiàn)已在澳門的公路上穩(wěn)定行駛,達(dá)到了環(huán)保、節(jié)能的效果。
2 混合動力電動汽車的傳動系統(tǒng)
汽車是一種在陸地露天運行、結(jié)構(gòu)緊湊、具有車載能源的走行機械，工礦復(fù)雜。既要能適應(yīng)高速飛馳、又要能頻繁起制動、上下坡快速超車緊急剎車；既要能適應(yīng)雪天、雨天、盛夏嚴(yán)冬、雪后灑鹽等惡劣天氣條件，又要能承受道路的顛簸振動，還要保證司乘人員的舒適與安全。混合動力電動汽車的核心，是要用變頻器控制電動機的系統(tǒng)取代其機械推進系統(tǒng)，用電池代替汽油作為車載能源，在實現(xiàn)零排放或少排放的前提下，滿足燃油汽車各項性能、價格指標(biāo)的要求。據(jù)此可將混合動力電動汽車傳動系統(tǒng)歸納為以下幾點：
（1） 基速以下大轉(zhuǎn)矩以適應(yīng)快速起動、加速、負(fù)荷爬坡、頻繁起停等要求，基速以上小轉(zhuǎn)矩、恒功率、調(diào)速范圍寬以適應(yīng)比較高車速和公路飛馳超車等要求，上述要求可通過PI7000矢量變頻器功能參數(shù)的簡單設(shè)置即可實現(xiàn).
（2） 整個轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速運行范圍內(nèi)的效率比較優(yōu)化，以謀求電池一次充電后的續(xù)馳距離盡可能長。一輛燃油汽車帶50kg汽油約可行駛700km，如改裝為帶400kg鉛酸電池的混合動力電動汽車，則只能行駛100km。比較近報導(dǎo)，采用比較新研制的燃料電池可達(dá)到450km。開發(fā)比能量更高的新型電池是比較根本的解決辦法，但降低電氣傳動系統(tǒng)的損耗也是重要的一環(huán)，使用PI7000矢量變頻器控制電動機，可達(dá)到高效節(jié)油、節(jié)能。
（3）電動機及電控裝置結(jié)構(gòu)堅固、體積小、重量輕、免維修或少維修、抗顛簸振動.PI7000矢量變頻器將PLC及信號裝置等集成到一體。
（4）操縱性能符合司機駕駛習(xí)慣,運行平穩(wěn)、乘坐舒適，電氣系統(tǒng)換效保障措施完善。比如，當(dāng)電壓命令信號線、電流反饋或速度傳感器線斷或短路時，可能引起振幅達(dá)正負(fù)比較大輸出轉(zhuǎn)矩的振蕩。必須具備能及時發(fā)現(xiàn)此類事故的措施，并在一旦發(fā)現(xiàn)事故時，立刻切斷電動機的電源. PI7000矢量變頻器和PLC配合使用，具有快速的過流、過載、過壓、PG線斷等多種保護功能，一旦保護立即停止輸出電壓，司機按復(fù)位按鈕即可復(fù)位恢復(fù)正常工作狀態(tài)，司機可通過觸摸屏非常直觀地監(jiān)視電池電量、運行轉(zhuǎn)速、工作電流等,司機也可通過觸摸屏查詢故障時的電流、頻率、電壓及故障時的狀態(tài)等，操作及排除故障方便快捷。
3 混合動力電動汽車的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖及其工作原理
羅羅~ 幫忙把圖修改下，截圖到那個混合電動車的上面。
圖1 混合動力電動汽車的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
工作原理:混合動力系統(tǒng)主要有能源供給系統(tǒng)、電氣驅(qū)動系統(tǒng)和機械傳動系統(tǒng)三大部分組成.
（1） 能源供給系統(tǒng):由動力電池組、發(fā)動機-直流發(fā)電機機組組成.
（2） 電氣驅(qū)動系統(tǒng):由變頻器和電動機組成.
（3） 機械傳動系統(tǒng):將內(nèi)燃機和電動機的機械輸出通過離合器和減速器送給輪軸.
如果電池組電量不足,則啟動發(fā)動機通過直流發(fā)電機給蓄電池組充電,以保證有足夠的能源供給.變頻器控制電動機通過減速器及差動齒輪驅(qū)動前(或后)輪軸,內(nèi)燃發(fā)動機通過自動離合器與電動機同軸安裝(如上圖所示).在車輛起動時或在市區(qū)內(nèi)行駛時,只由蓄電池組通過變頻器向電動機供電,即純電動驅(qū)動;在公路上行駛時,離合器接通,由內(nèi)燃發(fā)動機負(fù)責(zé)驅(qū)動輪軸,此時電動機作為發(fā)電機運行,通過變頻器給電池補充充電;高速重負(fù)載行駛時,電動機與內(nèi)燃發(fā)動機同時驅(qū)動輪軸,即混合驅(qū)動,以提高驅(qū)動功率,實現(xiàn)了節(jié)能與環(huán)保.
4 電動機控制系統(tǒng)
4.1電動機控制系統(tǒng)的組成
見圖2所示。
羅~ 把圖里面的框框去掉~
圖2 三相異步電動機控制系統(tǒng)的組成示意圖
（1）蓄電池：給變頻器提供DC336V直流電。
（2）變頻器及PLC：信號控制并且給三相異步電動機調(diào)速及保護電動機過流、過載、過壓等。
（3）三相異步電動機及速度傳感器：實現(xiàn)矢量控制,通過減速器及差動齒輪驅(qū)動前或后輪軸。
（4）減速器及輪軸、車輪：實現(xiàn)汽車前進、后退、停止等功能。
4.2 混合動力電動汽車系統(tǒng)中PI7000矢量變頻器主回路結(jié)構(gòu)圖及其主元器件選擇
羅~去掉圖中的PI7000矢量變頻器主回路結(jié)構(gòu)圖
圖3 PI7000矢量變頻器主回路結(jié)構(gòu)圖
（1）工作原理:蓄電池給電解電容充電,使直流母線電壓保持恒定336V左右,充電電阻R為限流電阻,限制剛上電瞬間的大的充電電流的沖擊;電源板工作后,通過延時電路使接觸器吸合,限流電阻被短接.IGBT并聯(lián)使用構(gòu)成上下橋臂,即為逆變器部分,將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榭勺兊娜嘟涣麟娮鳛槿喈惒诫妱訖C的輸入工作電源.當(dāng)有大的短路電流時,保險FU斷開起保護主元器件作用;當(dāng)直流母線有高的尖峰電壓時,吸收電容C將尖峰電壓吸收,防止主元器件因過壓擊穿或頻繁跳保護.
（2）其元器件的選擇:根據(jù)三相異步電動機的功率為90kW,額定電流為340A,額定電壓為220V,額定頻率為37.5Hz,比較高頻率140Hz,固選逆變器件IGBT為1200A/600V;儲能電解電容為6個4700UF/450V,并聯(lián)在高壓直流母線兩端;保險為600A;每個IGBT的PN端并聯(lián)兩個3UF/600V的吸收電容.
4.3 PI7000矢量變頻器控制板接線示意圖及其說明
圖4 PI7000矢量變頻器控制板接線示意圖
控制過程說明：司機腳踩油門、換檔、腳剎、倒車等的操作的狀態(tài),其所對應(yīng)的數(shù)字或模擬信號傳送到PLC中,PLC通過程序處理,再將所需信號傳送到變頻器的控制板的接線端子,對變頻器進行自動控制,變頻器按照所設(shè)定的功能參數(shù)實現(xiàn)相應(yīng)的功能.變頻器采用矢量轉(zhuǎn)矩控制,滿足汽車系統(tǒng)的低頻大轉(zhuǎn)矩輸出、高速動態(tài)特性,使三相異步電動機帶動輪軸快速、平滑的起動、運行、停止(沒有沖擊力),半坡起動力矩可以達(dá)到200%,達(dá)到混合動力電動汽車的設(shè)計要求.
5 PI7000矢量變頻器功能參數(shù)設(shè)置及其說明
序號 功能參數(shù) 設(shè)置值 說明 備注
1 y07 340A 變頻器額定輸出電流 90kW電機設(shè)置為340A
2 y08 220V 變頻器額定輸入電壓
3 L13 380V 變頻器過壓保護點 直流母線電壓大于380V時跳”O(jiān)U”保護
4 L14 200V 變頻器欠壓保護點 直流母線電壓低于200V時跳”LU”保護
5 b00 3 電機極對數(shù) 6極電機
6 b01 340A 電機額定電流
7 b02 220V 電機額定電壓
8 b03 1000RPM 電機額定轉(zhuǎn)速
9 b04 37.5Hz 電機額定頻率
10 F01 2 帶PG矢量控制模式
11 F04 1 主板端子V2給定頻率
12 F05 3 主板端子臺控制運行
13 F09 0.5S 加速時間
14 F10 0.1S 減速時間
15 F13 140Hz 比較大頻率
16 F14 37.5Hz 基本頻率
17 F17 140Hz 上限頻率
18 F18 10% S曲線加速起始段
19 F19 5% S曲線減速起始段
20 F27 1 自由停車模式
21 F61 12 負(fù)載類型: 轉(zhuǎn)矩控制
22 F63 5 轉(zhuǎn)矩上限切換
23 C04 190% 轉(zhuǎn)矩給定 該值可以影響電機出力,但是會引起電流沖擊.
24 C05 55% 勵磁給定 如果在弱磁調(diào)速段電機運行不穩(wěn)定,應(yīng)該適當(dāng)調(diào)高勵磁給定,但會影響低速加速性能.
25 b10 106 PG脈沖數(shù) 以實際為準(zhǔn).
26 b12 PG旋轉(zhuǎn)方向 需要手動測試確定.
其它參數(shù)采用默認(rèn)值
6 PI7000 矢量變頻器在混合動力電動氣車系統(tǒng)中的調(diào)試步驟
6.1 實驗室調(diào)試
（1）空載測試
將直流電311V接入變頻器的輸入端,設(shè)置相應(yīng)的功能參數(shù),運行至50Hz,用整流式指針萬用表測三相輸出電壓正常;鍵盤監(jiān)視的直流母線電壓值與用萬用表實測的值一致,否則通過修改功能參數(shù)L01進行校正。
（2）帶載測試:
待機狀態(tài),將電機的輸入線接至變頻器的輸出端,無誤后上電.頻率一點點升至滿頻,用萬用表測試三相輸出電壓是否平衡,用嵌流表測電機的三相輸出電流是否平衡,觀察鍵盤各監(jiān)視:輸出頻率、輸出電流、輸出電流百分比、電機轉(zhuǎn)速、IGBT溫度等是否有異常;調(diào)整功能參數(shù)L01,將輸出電流百分比調(diào)準(zhǔn),即變頻器輸出的電流與鍵盤監(jiān)視的電流相一致;調(diào)整電源板上的參數(shù)位R35、R37,使變頻器達(dá)到2.6倍的額定電流時跳過流保護.斷電,將速度傳感器的接線與變頻器的PG卡端子一一對應(yīng)接好。
（3）電機參數(shù)測量:
上電將功能參數(shù)b13設(shè)為有效,變頻器即開始自動測量電機的定子電阻,轉(zhuǎn)子電阻,電機漏感,電機勵磁電感等參數(shù)并自動存儲到b05-b09中.
（4） PG的方向確定
設(shè)置功能參數(shù):F01設(shè)為2,即帶PG的矢量控制模式;F02設(shè)為5Hz,即給定頻率為5Hz,F09設(shè)為5S,即加速時間為5S,F10設(shè)為5S,即減速時間為5S.然后手動運行,如果電機可以正常運行到5Hz,表示b12 PG旋轉(zhuǎn)方向設(shè)定正確;如果電機只能運行在1Hz以下,表示PG旋轉(zhuǎn)方向需要通過b12進行校正.
（5）電機方向確定
給定正轉(zhuǎn)運行命令,如果電機正傳,表示電機方向設(shè)定正確;如果電機反轉(zhuǎn),表示電機方向與命令方向相反,需要更改端子的命令,將FWD和REV的接線端子對調(diào).
（6）上述測試如有異常，立即查找原因并排除故障。
6.2 變頻器在混合動力電動汽車系統(tǒng)中的動態(tài)調(diào)試:
（1）檢查變頻器在汽車系統(tǒng)中的接線無誤后,方可上電調(diào)試。
（2）空車調(diào)試
司機將檔位掛在D檔(即高速檔),腳踩油門,對汽車進行前進、倒退、平穩(wěn)運行、拐彎運行、停止操作,用鍵盤將功能參數(shù)F09、F10加減速時間逐漸減小,使其能夠快速起動而沒有沖擊力又不跳保護即可。
（3）汽車加載調(diào)試
將汽車中放滿裝滿水的桶,模擬乘客.司機將檔位掛在D檔,腳踩油門,對汽車進行前進、倒退、平穩(wěn)運行、拐彎運行、爬坡運行操作,監(jiān)視變頻器鍵盤看是否跳過流、過壓保護;如果跳過流保護,將功能參數(shù)C04給定轉(zhuǎn)矩逐漸提高, C05給定勵磁逐漸降低,S曲線加速起始段F18逐漸提高;如果跳過壓保護,將功能參數(shù)L13變頻器過壓保護點逐漸提高,不要超過400V(電解電容耐壓為450V),S曲線減速起始段F19逐漸提高.司機將檔位掛在L檔(即低速檔,半坡起動時掛此檔),重復(fù)上述操作及調(diào)試.注:修改變頻器參數(shù)時,需告訴司機掛空檔。
（4） 汽車路試
上述調(diào)試沒有異常后,司機駕駛汽車到各站點模擬試驗,每天3-4次.通過鍵盤觀察各監(jiān)視是否有異常,并做好記錄。
（5）上述調(diào)試試驗如有異常,立即查找原因并排除故障。
7 PI7000 矢量變頻器的故障與異常處理
故障 可能原因 措施
電機不轉(zhuǎn) LED監(jiān)視器顯示故障信息 故障查詢并排除之,復(fù)位正常運行.
U，V，W端子無輸出或輸出異常 檢查所設(shè)定的控制方式和頻率參數(shù);檢查外部端子接線狀態(tài).
電機負(fù)載太重 檢查負(fù)載情況并排除
過電流
OC 故障顯示OC-P IGBT驅(qū)動保護；檢查電機是否堵轉(zhuǎn)電流過大.
故障顯示OC-2 輸出過電流，電流超過電機額定電流的2.6倍時保護;檢查電機是否異常
加速中過電流 重新設(shè)定或調(diào)整F09，F(xiàn)18，F(xiàn)19，,C04,，C05
減速中過電流 重新設(shè)定或調(diào)整F10，F(xiàn)20，F(xiàn)21
運行中過電流 檢查負(fù)載的變化情況并消除
起動或運行中有時過電流 檢查有無輕微短路或接地現(xiàn)象
干擾 檢查接地線，屏蔽線接地情況及端子情況
過電壓
OU 直流母線電壓太高 檢測蓄電池電壓是否正常;變頻器額定電壓設(shè)定是否正確;減速太快,調(diào)整F10;
欠電壓LU
LU 電源電壓太低 檢測蓄電池電壓是否正常;變頻器額定電壓設(shè)定是否正確
過熱OH 環(huán)境溫度過高 改善環(huán)境溫度;檢測F53降低風(fēng)扇起動溫度;檢查F15載波頻率的設(shè)定是否過大.
8 結(jié)束語
普傳PI7000矢量變頻器在混合動力電動氣車系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)矩控制的應(yīng)用,不但節(jié)能而且環(huán)保.經(jīng)過不斷的試驗,不斷的改進軟件,現(xiàn)已具有質(zhì)量可靠,性能穩(wěn)定,調(diào)試方便,抗干擾能力強,維護簡單等優(yōu)點,用戶非常滿意,混合動力電動汽車系統(tǒng)采用變頻器調(diào)速技術(shù)值得推廣