矢量控制變頻器在混合動力電動汽車中的應用

摘要：本文介紹了如何使用普傳PI7000矢量控制變頻器的主板端子功能、保護功能等實現(xiàn)混合動力電動汽車的低頻大轉矩及通過汽車油門信號的大小進行調速的工藝要求，同時實現(xiàn)了節(jié)能與環(huán)保；著重介紹了變頻器在混合動力電動汽車系統(tǒng)中的工作原理，變頻器矢量控制的功能參數(shù)設置及調試方法，變頻器常見故障及排除措施。

關鍵詞：混合動力電動汽車 矢量控制變頻器  轉矩控制  環(huán)保節(jié)能  PLC

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60年代開始，以電力電子為基礎的電氣傳動技術的進步，為混合動力電動汽車的開展提供了先進的物質基礎；機電一體化技術的興起與發(fā)展，為燃油汽車這一典型的機械產品向機電一體化方向演變提供了十分豐富的技術經驗。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，我國產油1.7億噸，進口突破1億，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濟和社會的可持續(xù)發(fā)展至關重要。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、結構緊湊、具有車載能源的走行機械，工礦復雜。既要能適應高速飛弛、又要能頻繁起制動、上下坡快速超車緊急剎車；既要能適應雪天、雨天、盛夏嚴冬、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?；旌蟿恿﹄妱悠嚨暮诵模且米冾l器控制電動機的系統(tǒng)取代其機械據(jù)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）       基速以下大轉矩以適應快速起動、加速、負荷爬坡、頻繁起停等要求，基速以上小轉矩、恒功率、調速范圍寬以適應最高車速和公路飛弛超車等要求，上述要求可通過PI7000矢量變頻器功能參數(shù)的簡單設置即可實現(xiàn)。

（2）       整個轉矩/轉速運行范圍內的效率最優(yōu)化、以謀求電池一次充電后的續(xù)弛距離盡可能長。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。最近報導，采用最新研制的燃料電池可達到450km。開發(fā)比能量更高的新型電池是最根本的解決辦法，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，可達到高效節(jié)油、節(jié)能。

（3）       電動機及電控裝置結構堅固、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，可能引起振幅達正負最大輸出轉矩的振蕩。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，司機按復位按鈕即可復位恢復正常工作狀態(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。{{分頁}}

3、  混合動力電動汽車的系統(tǒng)結構圖及其工作原理

　　工作原理：混合動力系統(tǒng)主要有能源供給系統(tǒng)、電氣驅動系統(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)動機一直流發(fā)電機組組成。

（2）       電氣驅動系統(tǒng)：由變頻器和電動機組成。

（3）       機械傳動系統(tǒng)：將內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動前（或后）輪軸，內燃發(fā)動機通過自動離合器與電動機同軸安裝（如圖1所示）。在車輛起動時或在市區(qū)內行駛時，只由蓄電池組通過變頻器向電動機供電，即純電動驅動；在公路上行駛時，離合器接通，由內燃發(fā)動機負現(xiàn)驅動輪軸，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；高速重負載行駛時，電動機與內燃發(fā)動機同時驅動輪軸，即混合驅動，以提高驅動功率，實現(xiàn)了節(jié)能環(huán)保。

4、  電動機控制系統(tǒng)

4.1電動機控制系統(tǒng)的組成

　　圖2示出系統(tǒng)示意思圖

（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動前后或后輪軸。

（4）       減速器及輪軸、車輪：實現(xiàn)汽車前進、后退、停止等功能。{{分頁}}

4.2 PI7000矢量變頻器主回路結構圖及其主元器件選擇

（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)使用構成上下橋臂，即為逆變器部分，將直流電轉變?yōu)榭勺兊娜嘟涣麟娮鳛槿喈惒诫妱訖C的輸入工作電源。當有大的短路電流時，保險FU斷開起保護主元器件作用；當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，如圖3所示。

（2）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，最高頻率140Hz，固選逆變器件IGBT為1200A/600V，儲能電解電容為6個4700μF/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3μF/600A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

　　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，變頻器按照所設定的功能參數(shù)實現(xiàn)相應的功能。變頻器采用矢量轉矩控制，滿足汽車系統(tǒng)的低頻大轉矩輸出、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到200%，達到混合動力電動汽車的設計要求，如圖4所示。

{{分頁}}

5、 PI7000矢量變頻器功能參數(shù)設置及其說明

　　表1示出變頻器參數(shù)設置及其說明

6、 PI7000矢量變頻器在混合動力電動氣車系統(tǒng)中的調試步驟

6.1實驗室調試

（1）空載測試

　　將直流311V接入變頻器的輸入端，設置相應的功能參數(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、電機轉速、IGBT溫度等是否有異常；調整功能參數(shù)L01，將輸出電流百分比調準，即變頻器輸出的電流與鍵盤監(jiān)視的電流相一致；調整電源板上的參數(shù)位R35、R37，使變頻器達到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卡端子一一對應接好。{{分頁}}

（3）       電機參數(shù)測量

　　上電將功能參數(shù)b13設為有效，變頻器即開始自動測量電機的定子電阻，轉子電阻，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

　　設置功能參數(shù)：F01設為2，即帶PG的矢量控制模式；F02設為5Hz，即給定頻率為5Hz，F(xiàn)09設為5S，即加速時間為5S，F(xiàn)10設為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b12PG旋轉方向設定正確；如果電機只能運行在1Hz以下，表示PG旋轉方向需要通過b12進行校正。

（5）       電機方向確定

　　給定正轉運行命令，如果電機正傳，表示電機方向設定正確；如果電機反轉，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。

（6）       上述測試如有異常，立即查找原因并排除故障。

6.2動態(tài)調試

（1）檢查變頻器在汽車系統(tǒng)中的接線無誤后，方可上電調試。

（2）空車調試

　　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），重復上述操作及調試。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）       上述調試試驗如有異常，立即查找原因并排除故障。PI7000矢量變頻器的故障與異常處理，可見表2。

7、結束語

　　普傳PI7000矢量變頻器在混合動力電動氣車系統(tǒng)中的轉矩控制的應用，不但節(jié)能而且環(huán)保。經過不斷的試驗，不斷的改進軟件，現(xiàn)已具有質量可靠，性能穩(wěn)定，調試方便，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)采用變頻器調速技術值得推廣。