矢量控制變頻器在混合動力電動汽車中的應(yīng)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(hù)功能等實(shí)現(xiàn)混合動力電動汽車的低頻大轉(zhuǎn)矩及通過汽車油門信號的大小進(jìn)行調(diào)速的工藝要求，同時(shí)實(shí)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(shè)置及調(diào)試方法，變頻器常見故障及排除措施。

關(guān)鍵詞：混合動力電動汽車 矢量控制變頻器  轉(zhuǎn)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(jī)和發(fā)動機(jī)驅(qū)動車輪行駛。電動機(jī)不排放有害氣體并且和發(fā)動機(jī)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年代開始，以電力電子為基礎(chǔ)的電氣傳動技術(shù)的進(jìn)步，為混合動力電動汽車的開展提供了先進(jìn)的物質(zhì)基礎(chǔ)；機(jī)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(jī)械產(chǎn)品向機(jī)電一體化方向演變提供了十分豐富的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)?；旌蟿恿﹄妱悠嚨臋C(jī)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(gè)良好的政策環(huán)境、市場環(huán)境和消費(fèi)環(huán)境，因?yàn)榘l(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(jìn)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(jīng)濟(jì)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(hù)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(yàn)與檢驗(yàn)，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(yùn)行、結(jié)構(gòu)緊湊、具有車載能源的走行機(jī)械，工礦復(fù)雜。既要能適應(yīng)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(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(jī)的系統(tǒng)取代其機(jī)械據(jù)推進(jìn)系統(tǒng)，用電池代替汽油作為車載能源，在實(shí)現(xiàn)零排放或少排放的前提下，滿足燃油汽車各項(xiàng)性能、價(jià)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(diǎn)：

（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)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(shè)置即可實(shí)現(xiàn)。

（2）       整個(gè)轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速運(yùn)行范圍內(nèi)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(bào)導(dǎo)，采用最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(jī)，可達(dá)到高效節(jié)油、節(jié)能。

（3）       電動機(jī)及電控裝置結(jié)構(gòu)堅(jiān)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(jī)駕駛習(xí)慣，運(yùn)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(shí)，可能引起振幅達(dá)正負(fù)最大輸出轉(zhuǎn)矩的振蕩。必須具備能及時(shí)發(fā)現(xiàn)此類事故的措施，并在一旦發(fā)現(xiàn)事故時(shí)，立刻切斷電動機(jī)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(hù)功能，一旦保護(hù)立即停止輸出電壓，司機(jī)按復(fù)位按鈕即可復(fù)位恢復(fù)正常工作狀態(tài)，司機(jī)可通過觸摸屏非常直觀地監(jiān)視電池電量、運(yùn)行轉(zhuǎn)速、工作電流等，司機(jī)也可通過觸摸屏查詢故障時(shí)的電流、頻率、電壓及故障時(shí)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(jié)構(gòu)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(qū)動系統(tǒng)和機(jī)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(jī)一直流發(fā)電機(jī)組組成。

（2）       電氣驅(qū)動系統(tǒng)：由變頻器和電動機(jī)組成。

（3）       機(jī)械傳動系統(tǒng)：將內(nèi)燃機(jī)和電動機(jī)的機(jī)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(jī)通過直流發(fā)電機(jī)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(jī)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(jī)通過自動離合器與電動機(jī)同軸安裝（如圖1所示）。在車輛起動時(shí)或在市區(qū)內(nèi)行駛時(shí)，只由蓄電池組通過變頻器向電動機(jī)供電，即純電動驅(qū)動；在公路上行駛時(shí)，離合器接通，由內(nèi)燃發(fā)動機(jī)負(fù)現(xiàn)驅(qū)動輪軸，此時(shí)電動機(jī)作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行，通過變頻器給電池補(bǔ)充充電；高速重負(fù)載行駛時(shí)，電動機(jī)與內(nèi)燃發(fā)動機(jī)同時(shí)驅(qū)動輪軸，即混合驅(qū)動，以提高驅(qū)動功率，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能環(huán)保。

4、  電動機(jī)控制系統(tǒng)

4.1電動機(jī)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(jī)調(diào)速及保護(hù)電動機(jī)過流、過載、過壓等。

（3）       三相異步電動機(jī)及速度傳感器：實(shí)現(xiàn)矢量控制，通過減速器及差動齒輪驅(qū)動前后或后輪軸。

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

4.2 PI7000矢量變頻器主回路結(jié)構(gòu)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(shí)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(jī)的輸入工作電源。當(dāng)有大的短路電流時(shí)，保險(xiǎn)FU斷開起保護(hù)主元器件作用；當(dāng)直流母線有高的尖峰電壓時(shí)，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(hù)，如圖3所示。

（2）元器件的選擇。根據(jù)三相異步電動機(jī)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(gè)4700μF/450V，并聯(lián)在高壓直流母線兩端，保險(xiǎn)為600A；每個(gè)IGBT的PN端并聯(lián)兩個(gè)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(jī)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(jìn)行自動控制，變頻器按照所設(shè)定的功能參數(shù)實(shí)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(jī)帶動輪軸快速、平滑的起動、運(yùn)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(jì)要求，如圖4所示。

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5、 PI7000矢量變頻器功能參數(shù)設(shè)置及其說明

　　表1示出變頻器參數(shù)設(shè)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(diào)試步驟

6.1實(shí)驗(yàn)室調(diào)試

（1）空載測試

　　將直流311V接入變頻器的輸入端，設(shè)置相應(yīng)的功能參數(shù)，運(yùn)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(shí)測的值一致，否則通過修改功能參數(shù)L01進(jìn)行校正。

（2）帶載測試

　　待機(jī)狀態(tài)，將電機(jī)的輸入線接至變頻器的輸出端，無誤后上電。頻率一點(diǎn)點(diǎn)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(jī)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(jī)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(shí)跳過流保護(hù)。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。{{分頁}}

（3）       電機(jī)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(jī)的定子電阻，轉(zhuǎn)子電阻，電機(jī)漏感，電機(jī)勵(lì)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，F(xiàn)09設(shè)為5S，即加速時(shí)間為5S，F(xiàn)10設(shè)為5S，即減速時(shí)間為5S。然后手動運(yùn)行，如果電機(jī)可以正常運(yùn)行到5Hz，表示b12PG旋轉(zhuǎn)方向設(shè)定正確；如果電機(jī)只能運(yùn)行在1Hz以下，表示PG旋轉(zhuǎn)方向需要通過b12進(jìn)行校正。

（5）       電機(jī)方向確定

　　給定正轉(zhuǎn)運(yùn)行命令，如果電機(jī)正傳，表示電機(jī)方向設(shè)定正確；如果電機(jī)反轉(zhuǎn)，表示電機(jī)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(jī)將檔位掛在D檔（即高速檔），腳踩油門，對汽車進(jìn)行前進(jìn)、倒退、平穩(wěn)運(yùn)行、拐彎運(yùn)行、停止操作，用鍵盤將功能參數(shù)F09、F10加減速時(shí)間逐漸減小，使其能夠快速起動而沒有沖擊力又不跳保護(hù)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(jī)將檔位掛在D檔，腳踩油門，對汽車進(jìn)行前進(jìn)、倒退、平穩(wěn)運(yùn)行、拐彎運(yùn)行、爬坡運(yùn)行操作，監(jiān)視變頻器鍵盤看是否跳過流、過壓保護(hù)；如果跳過流保護(hù)，將功能參數(shù)C04給定轉(zhuǎn)矩逐漸提高，C05給定勵(lì)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(hù)，將功能參數(shù)L13變頻器過壓保護(hù)點(diǎn)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(jī)將檔位掛在L檔（即低速檔，半坡起動時(shí)掛此檔），重復(fù)上述操作及調(diào)試。注：修改變頻器參數(shù)時(shí)，需告訴司機(jī)掛空檔。

（4）       汽車路試

　　上述調(diào)試沒有異常后，司機(jī)駕駛汽車到各站點(diǎn)模擬試驗(yàn)，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(yàn)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(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(yàn)，不斷的改進(jìn)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(qiáng)，維護(hù)簡單等優(yōu)點(diǎn)，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。