CN101402322A - 直流无刷电机在电动汽车与混合动力汽车中运行的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了直流无刷电机在电动汽车或者混合动力汽车中运行的控制方法，直流无刷电机采用转矩控制模式和速度控制模式。本发明通过控制电机输出转矩控制和速度控制使电机在电动汽车和混合动力汽车中运行过程控制更为合理，并且在协调其他动力方面也产生良好的效果。

Description

直流无刷电机在电动汽车与混合动力汽车中运行的控制方法

技术领域

本发明涉及一种通过控制直流无刷电机转矩和速度，来控制直流无刷电机在电动汽车、混合动力汽车中运行的控制方法。

背景技术

目前影响电动汽车与混合动力汽车发展的主要问题是：一.电动汽车难以适应运动状态需要不断改变的路况；二.电动汽车每充电一次能行驶的路程较短；三.混合动力汽车中发动机与电动机协调运行不理想。

其中，为克服上述状况，现有技术采用了多种方案，其中一种方案是采用交流异步电机，并且通过对交流电机进行转矩控制的模式来实现，该方案的技术效果较好。但是，其存在的缺点是交流异步电机的使用性能本身不是十分优越，而且，只采用转矩控制的模式，在实际使用过程中的效果不是十分的理想，不能满足要求。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种使用更可靠、效率更高、协调其他动力效果更胜一筹的直流无刷电机在电动汽车、混合动力汽车中运行的控制方法。

本发明所采用的技术方案是：

直流无刷电机在电动汽车或者混合动力汽车中运行的控制方法，直流无刷电机采用转矩控制模式和速度控制模式。

本发明中转矩控制可以依赖于电梳电流控制，这里的电梳电流控制是根据负载力矩的变化通过电流调节器来实现转矩控制。速度控制依赖于电机相电压控制。根据给定速度和实际检测速度的比较通过速度调节器来实现速度控制。本发明的实现过程是：通过测量电机转子转速和电流，通过速度调节器，电流调节器来调节PWM波实现相电压调节，实现转矩的调节和速度的调节。因为转矩和速度始终受控，所以处于电动状态时电机与负载可以很好的协调，处于发电状态电机与动力也可以很好的协调。因此无论是电动状态还是发电状态，都使电动机电能转变成机械能或发电机机械能转变成电能的效率更高。

本发明中电机选用直流无刷电机，该电机具有体积小、重量轻低速可输出大转矩的特性，电机的转速同电梳电压成正比，电机的输出转矩同电梳电流成正比，负载力矩与电机转速成反比，负载力矩与电机电梳电流成正比的特性，因而具有控制简单，控制对象明确相互干扰小等一系列优点。

本发明的有益效果是：本发明通过控制电机输出转矩控制和速度控制使电机在电动汽车和混合动力汽车中运行过程控制更为合理，并且在协调其他动力方面也产生良好的效果。同时，本发明创造方法在不同负载的工况下都可控制转矩和速度，因此可以控制电动汽车与混合动力汽车中电机在不同负载时的效率，提高其综合效率。

具体实施方式

本发明直流无刷电机在电动汽车中运行的控制方法，直流无刷电机采用转矩控制模式和速度控制模式。

直流无刷电机在混合动力汽车中运行的控制方法，直流无刷电机采用转矩控制模式和速度控制模式。

在以上控制方法中，该输出转矩控制方式和速度控制具体是电机选用直流无刷电机，采用转矩控制方式和速度控制。转矩控制和速度控制通过测量电机转子转速、电梳电流，通过速度调节器、电流调节器来调节PWM波实现相电压调节，从而实现电机转矩的调节和速度的调节。

一种双电机或多电机协调运行模式在电动汽车上的应用方法，用多个电机驱动或制动该交通工具，各电机以控制输出转矩的方式运行，或其中一个以其它方式运行，其余的电机均以转矩控制方式运行，产生合转矩共同驱动或制动电动交通工具。其中，采用的电机是直流无刷电机，其输出转矩控制和速度控制通过测量电机转子转速和电机电梳电流，通过速度调节器、电流调节器来调节PWM波实现相电压调节，来实现电机转矩控制和速度控制。

同理，电机在混合动力交通工具中的控制方法与一样，采用的电机是直流无刷电机，其输出转矩控制和速度控制是通过测量电机转子转速和电机电梳电流，通过速度调节器、电流调节器来调节PWM波实现对相电压调节，来实现电机转矩控制和速度控制。

另外，对于在电动汽车、混合动力汽车中的电机的控制方法，作为其效率控制，对于特定电机，在转矩控制速度控制时，预先设定一条转矩/转速曲线，即根据不同情况设定一个不同转矩和转速，令电机遵循该曲线运行，使电机的驱动效率最高，通过调节相电压，得到所需转矩和速度。

而对于在电动汽车、混合动力汽车中的发电机的控制方法，作为其发电效率控制，对于特定电机(发电机)，在转矩控制速度控制中，预先设定一条转矩/转速曲线，即根据不同情况设定一个不同转矩和转速，使电机(发电机)的发电效率最高，通过调节电压，得到所需转矩和转速。

当然，以上所述电动机和发电机可以是由同一电机处于电动状态或发电状态，该两种状态可以因应具体工况转换。

本发明中转矩控制依赖于电梳电流控制，速度控制依赖于相电压控制，这里的转矩控制和速度控制是根据电机转子转速调节同步转速实现的，即通过调节相电压来实现电机转矩控制和速度控制。本发明的实现过程是：通过测量电机转子转速和电机电梳电流，通过速度调节器、电流调节器来调节PWM波实现对电机相电压调节，来实现电机转矩控制和速度控制。因为转矩和速度始终受控，所以处于电动状态时电机与负载可以很好的协调，处于发电状态电机与动力也可以很好的协调，使电动机电能转变成机械能或发电机机械能转变成电能的效率更高。

具体实施方案(以电动汽车为例)

1、使电动汽车适应运动状态需要不断改变的路况

众所周知，有轨交通工具大多都已采用电动机车。但由于公路路况复杂，常遇到山坡、弯道、行车、行人等，电机的运行状态经常改变，时而按驱动状态运行，时而按制动状态运行。而现有技术多数采用转速控制方法控制电机运行，当电机处于转速控制时，为了适应电机经常改变的运动状态，电机的输出转矩变化很大，电机的额定转矩必须很大才能满足其工作需要，这在实际应用中是很难实现的。因此，仅依靠速度控制的电动汽车在公路交通上较少使用，难以推广。

本发明创造方案令电机无论处于驱动状态或制动状态都是在输出转矩控制、速度控制方式下运行。电机采用输出转矩控制、速度控制的方法，由于转矩是受到控制的，只要把输出转矩控制在电机额定转矩以内，就可以满足汽车在不同路况下电机运行的要求。下面以直流无刷电机为例说明输出转矩控制和速度控制的方法：

对于特定的直流无刷电机，在每一个转速工作点，其输出转矩取决于电机的电梳电流，也就是说只要确定了每一转速点的相电压和电梳电流就可以确定电机每一转速点的输出转矩和输出速度。本发明创造控制输出转矩和速度的方法是：根据转子转速及电机电梳电流，改变PWM波的占空比来调节相电压控制电机转矩和速度，代替现用的直接控制电机转速的方法，使电动汽车适应复杂的路况。因为转矩是力的作用结果，物体的运动状态是由外力矢量和决定的，也就是说不同的力产生的转矩作用在同一物体上时可以进行矢量叠加。由此可见，电动汽车采用转矩和速度控制的方法适应其它外力的作用是比较容易的，通过转矩控制和速度，能使电动汽车在运行过程中适应遇到的复杂路况。

2、提高电机效率，增加电动汽车充电一次行驶的路程。

目前，增大电池容量是增加电动汽车充电一次行驶的路程，改善电动汽车充电一次行驶路程较短问题的主要方法。

本发明创造通过增加单位电量所做的功，即提高电机效率，增加电动汽车充电一次行驶的路程，改善电动汽车充电一次行驶路程较短问题。

当前市场上的交流异步电机都有一个效率指标，在电动汽车适用功率规格内，当电机负载为额定负载时，其使用效率一般在80％-90％之间；当电机负载率降低时，其使用效率随之降低。而电动汽车中电机的负载是不断变化的，为了不超过电机额定负载，只能选择电机功率大于电动汽车的最大负载，因此电机的负载率通常在百分之几十、百分之几，甚至是零(空载)，电机的综合效率非常低(俗称大马拉小车)。

对于直流无刷电机，其结构简单，运行可靠，特别是具有其它电机所无法比拟的高效率，具有体积小、重量轻功率密度大低速可输出大转矩的特性，可实现恒功率运行没有俗称大马拉小车问题。

根据负载情况每一转速都有一个对应的转矩，电机工作效率最高区。用相电压控制电机转矩、速度时，令电机遵循该电机的最高效率转矩/转速曲线运行，通过调节相电压，控制转矩和速度。电机在该情形下工作时的效率较高，远远高于传统控制方法的工作效率，从而增加电动汽车充电一次行驶的路程。

另一方面，电动汽车行驶时常遇到弯道、行车、行人、上下坡等复杂路况，经常需要制动。制动时电机处于发电状态，把制动过程中的机械能转化成电能并整流成直流后储蓄到电池中，成为电动汽车驱动时的电能。应用本发明创造所述方法，电动汽车在制动状态时，电机处于发电状态，此时电机用转矩控制，对于直流无刷电机，令其遵循预先设定的最高效率转矩/转速曲线运行，通过调节控制转矩，使电机作发电机时的效率最高。本方法使机械能转化电能的效率提高，从而增加电动汽车充电一次行驶的路程。

3、一种双动力或多动力协调运行模式在电动汽车或混合动力汽车上的应用。

汽车用两台或多台电机控制驱动，此时电机处于转矩控制状态，电机输出的转矩的和即总转矩为驱动汽车需要的转矩。

用两台或多台电机经不同变速比的变速箱或不同额定转速的电机共同作用于同一动力轴，各电机处于转矩控制方式运行，由控制设备根据汽车每一工况转矩的要求，和每一台电机在各个工况性能的优劣，设定各电机输出转矩的比例，使电机都在自己适合的转速段输出较大转矩，从而达到两台或多台电机协调运行的目的。本发明创造控制输出转矩、速度的方法是：根据转子转速，通过速度调节器，电流调节器来调节PWM波实现对相电压调节，来实现电机转矩控制和速度控制。因为转矩是力的作用结果，物体的运动状态是由外力矢量和决定的，也就是说不同的力产生的转矩作用在同一物体上时可以进行矢量叠加，由此可见，一种双电机或多电机动力***或其他混合动力***采用转矩控制的方法适应其它外力的作用是比较容易的，所以通过转矩控制和速度控制，可以解决电动汽车和混合动力汽车在双动力或多动力协调运行过程中遇到的问题。

4、本发明创造所述的电机转矩控制方法、电机高效率运行方法亦适用于串联式或并联式混合动力汽车，其控制方法与上述电动汽车控制方法相同，在此不作赘述。

Claims (8)

1、直流无刷电机在电动汽车中运行的控制方法，其特征在于：直流无刷电机采用转矩控制模式和速度控制模式。

2、根据权利要求1所述的直流无刷电机在电动汽车中运行的控制方法，其特征在于：所述的转矩控制通过电梳电流控制方式实现，所述的速度控制通过电机相电压控制方式实现。

3、根据权利要求2所述的直流无刷电机在电动汽车中运行的控制方法，其特征在于：电梳电流控制是根据负载力矩的变化通过电流调节器来实现，电机相电压控制是根据给定速度和实际检测速度的比较，通过速度调节器来实现速度控制。

4、根据权利要求3所述的直流无刷电机在电动汽车中运行的控制方法，其特征在于：转矩控制和速度控制是通过测量电机转子转速和电流，通过速度调节器、电流调节器来调节PWM波实现相电压调节，从而实现电机转矩的调节和速度的调节。

5、直流无刷电机在混合动力汽车中运行的控制方法，其特征在于：直流无刷电机采用转矩控制模式和速度控制模式。

6、根据权利要求5所述的直流无刷电机在混合动力汽车中运行的控制方法，其特征在于：所述的转矩控制通过电梳电流控制方式实现，所述的速度控制通过电机相电压控制方式实现。

7、根据权利要求5所述的直流无刷电机在混合动力汽车中运行的控制方法，其特征在于：电梳电流控制是根据负载力矩的变化通过电流调节器来实现，电机相电压控制是根据给定速度和实际检测速度的比较，通过速度调节器来实现速度控制。

8、根据权利要求5所述的直流无刷电机在混合动力汽车中运行的控制方法，其特征在于：转矩控制和速度控制是通过测量电机转子转速和电流，通过速度调节器、电流调节器来调节PWM波实现相电压调节，从而实现电机转矩的调节和速度的调节。