矢量控制變頻器在混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)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(shí)現混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)的低頻大轉矩及通過(guò)汽車(chē)油門(mén)信號的大小進(jìn)行調速的工藝要求，同時(shí)實(shí)現了節能與環(huán)保；著(zhù)重介紹了變頻器在混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)系統中的工作原理，變頻器矢量控制的功能參數設置及調試方法，變頻器常見(jiàn)故障及排除措施。

關(guān)鍵詞：混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē) 矢量控制變頻器  轉矩控制  環(huán)保節能  PLC

1、  引言

　　混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)是指以蓄電池組作為動(dòng)力源，用電動(dòng)機和發(fā)動(dòng)機驅動(dòng)車(chē)輪行駛。電動(dòng)機不排放有害氣體并且和發(fā)動(dòng)機混合驅動(dòng)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以上來(lái)自燃油汽車(chē)尾氣，從大氣環(huán)保出發(fā)，自20世紀60年代開(kāi)始，以電力電子為基礎的電氣傳動(dòng)技術(shù)的進(jìn)步，為混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)的開(kāi)展提供了先進(jìn)的物質(zhì)基礎；機電一體化技術(shù)的興起與發(fā)展，為燃油汽車(chē)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?；旌蟿?dòng)力電動(dòng)汽車(chē)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(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)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(chǎng)環(huán)境和消費環(huán)境，因為發(fā)展混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)對節約能源、緩解環(huán)境污染具有重要意義，并且汽車(chē)工業(yè)是耗油大戶(hù)，目前我國汽車(chē)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(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)對我國經(jīng)濟和社會(huì )的可持續發(fā)展至關(guān)重要。另外，汽車(chē)業(yè)的發(fā)展給環(huán)境保護帶來(lái)比較大的壓力，混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)廢氣排量少之又少，噪音污染很小，發(fā)展混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)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(dòng)力環(huán)保、節能型電動(dòng)汽車(chē)系統中，已通過(guò)長(cháng)期的各種試驗與檢驗，現已在澳門(mén)的公路上穩定行駛，達到了環(huán)保、節能的效果。

2、  混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)的傳動(dòng)系統

　　汽車(chē)是一種在陸地露天運行、結構緊湊、具有車(chē)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(dòng)、上下坡快速超車(chē)緊急剎車(chē)；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(dòng)，還要保證司乘人員的舒適與安全?；旌蟿?dòng)力電動(dòng)汽車(chē)的核心，是要用變頻器控制電動(dòng)機的系統取代其機械據推進(jìn)系統，用電池代替汽油作為車(chē)載能源，在實(shí)現零排放或少排放的前提下，滿(mǎn)足燃油汽車(chē)各項性能、價(jià)格指標的要求。據此可將混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)傳動(dòng)系統歸納為以下幾點(diǎn)：

（1）       基速以下大轉矩以適應快速起動(dòng)、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(chē)速和公路飛弛超車(chē)等要求，上述要求可通過(guò)PI7000矢量變頻器功能參數的簡(jiǎn)單設置即可實(shí)現。

（2）       整個(gè)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弛距離盡可能長(cháng)。一輛燃油汽車(chē)帶50kg汽油約可行駛700km，如改裝為帶400kg鉛酸電池的混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)，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(kāi)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(dòng)系統的損耗也是重要的一環(huán)，使用PI7000矢量變頻器控制電動(dòng)機，可達到高效節油、節能。

（3）       電動(dòng)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(dòng)。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、乘坐舒適，電氣系統換效保障措施完善。比如，當電壓命令信號線(xiàn)、電流反饋或速度傳感器線(xiàn)斷或短路時(shí)，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(shí)發(fā)現此類(lèi)事故的措施，并在一旦發(fā)現事故時(shí)，立刻切斷電動(dòng)機的電源。PI7000矢量變頻器和PLC配合使用，具有快速的過(guò)流、過(guò)載、過(guò)壓、PG線(xiàn)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(guò)觸摸屏非常直觀(guān)地監視電池電量、運行轉速、工作電流等，司機也可通過(guò)觸摸屏查詢(xún)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(yè)}}

3、  混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)的系統結構圖及其工作原理

　　工作原理：混合動(dòng)力系統主要有能源供給系統、電氣驅動(dòng)系統和機械傳動(dòng)系統三大部分組成。

（1）       能源供給系統：由動(dòng)力電池組、發(fā)動(dòng)機一直流發(fā)電機組組成。

（2）       電氣驅動(dòng)系統：由變頻器和電動(dòng)機組成。

（3）       機械傳動(dòng)系統：將內燃機和電動(dòng)機的機械輸出通過(guò)離合器和減速器送給輪軸。

　　如果電池組電量不足，則啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機通過(guò)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(dòng)機通過(guò)減速器及差動(dòng)齒輪驅動(dòng)前（或后）輪軸，內燃發(fā)動(dòng)機通過(guò)自動(dòng)離合器與電動(dòng)機同軸安裝（如圖1所示）。在車(chē)輛起動(dòng)時(shí)或在市區內行駛時(shí)，只由蓄電池組通過(guò)變頻器向電動(dòng)機供電，即純電動(dòng)驅動(dòng)；在公路上行駛時(shí)，離合器接通，由內燃發(fā)動(dòng)機負現驅動(dòng)輪軸，此時(shí)電動(dòng)機作為發(fā)電機運行，通過(guò)變頻器給電池補充充電；高速重負載行駛時(shí)，電動(dòng)機與內燃發(fā)動(dòng)機同時(shí)驅動(dòng)輪軸，即混合驅動(dòng)，以提高驅動(dòng)功率，實(shí)現了節能環(huán)保。

4、  電動(dòng)機控制系統

4.1電動(dòng)機控制系統的組成

　　圖2示出系統示意思圖

（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(dòng)機調速及保護電動(dòng)機過(guò)流、過(guò)載、過(guò)壓等。

（3）       三相異步電動(dòng)機及速度傳感器：實(shí)現矢量控制，通過(guò)減速器及差動(dòng)齒輪驅動(dòng)前后或后輪軸。

（4）       減速器及輪軸、車(chē)輪：實(shí)現汽車(chē)前進(jìn)、后退、停止等功能。{{分頁(yè)}}

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(xiàn)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(guò)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?dòng)機的輸入工作電源。當有大的短路電流時(shí)，保險FU斷開(kāi)起保護主元器件作用；當直流母線(xiàn)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(guò)壓擊穿或頻繁跳保護，如圖3所示。

（2）元器件的選擇。根據三相異步電動(dòng)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(gè)4700μF/450V，并聯(lián)在高壓直流母線(xiàn)兩端，保險為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(xiàn)示意圖及其說(shuō)明

　　控制過(guò)程說(shuō)明：司機腳踩油門(mén)、換檔、腳剎、倒車(chē)等的操作的狀態(tài)，其所對應的數字或模擬信號傳送到PLC中，PLC通過(guò)程序處理，再將所需信號傳送到變頻器的控制板的接線(xiàn)端子，對變頻器進(jìn)行自動(dòng)控制，變頻器按照所設定的功能參數實(shí)現相應的功能。變頻器采用矢量轉矩控制，滿(mǎn)足汽車(chē)系統的低頻大轉矩輸出、高速動(dòng)態(tài)特性，使三相異步電動(dòng)機帶動(dòng)輪軸快速、平滑的起動(dòng)、運行、停止（沒(méi)有沖擊力），半坡起動(dòng)力矩可以達到200%，達到混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)的設計要求，如圖4所示。

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5、 PI7000矢量變頻器功能參數設置及其說(shuō)明

　　表1示出變頻器參數設置及其說(shuō)明

6、 PI7000矢量變頻器在混合動(dòng)力電動(dòng)氣車(chē)系統中的調試步驟

6.1實(shí)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，運行至50Hz，用整流式指針萬(wàn)用表測三相輸出電壓正常；鍵盤(pán)監視的直流母線(xiàn)電壓值與用萬(wàn)用表實(shí)測的值一致，否則通過(guò)修改功能參數L01進(jìn)行校正。

（2）帶載測試

　　待機狀態(tài)，將電機的輸入線(xiàn)接至變頻器的輸出端，無(wú)誤后上電。頻率一點(diǎn)點(diǎn)升至滿(mǎn)頻，用萬(wàn)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(guān)察鍵盤(pán)各監視：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L01，將輸出電流百分比調準，即變頻器輸出的電流與鍵盤(pán)監視的電流相一致；調整電源板上的參數位R35、R37，使變頻器達到2.6倍的額定電流時(shí)跳過(guò)流保護。斷電，將速度傳感器的接線(xiàn)與變頻器的PG卡端子一一對應接好。{{分頁(yè)}}

（3）       電機參數測量

　　上電將功能參數b13設為有效，變頻器即開(kāi)始自動(dòng)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并自動(dòng)存儲到b05-b09中。

（4）       PG的方向確定

　　設置功能參數：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，F09設為5S，即加速時(shí)間為5S，F10設為5S，即減速時(shí)間為5S。然后手動(dòng)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(guò)b12進(jìn)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(xiàn)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(dòng)態(tài)調試

（1）檢查變頻器在汽車(chē)系統中的接線(xiàn)無(wú)誤后，方可上電調試。

（2）空車(chē)調試

　　司機將檔位掛在D檔（即高速檔），腳踩油門(mén)，對汽車(chē)進(jìn)行前進(jìn)、倒退、平穩運行、拐彎運行、停止操作，用鍵盤(pán)將功能參數F09、F10加減速時(shí)間逐漸減小，使其能夠快速起動(dòng)而沒(méi)有沖擊力又不跳保護即可。

（3）       汽車(chē)加載調試

　　將汽車(chē)中放滿(mǎn)裝滿(mǎn)水的桶、模擬乘客。司機將檔位掛在D檔，腳踩油門(mén)，對汽車(chē)進(jìn)行前進(jìn)、倒退、平穩運行、拐彎運行、爬坡運行操作，監視變頻器鍵盤(pán)看是否跳過(guò)流、過(guò)壓保護；如果跳過(guò)流保護，將功能參數C04給定轉矩逐漸提高，C05給定勵磁逐漸降低，S曲線(xiàn)加速起始段F18逐漸提高；如果跳過(guò)壓保護，將功能參數L13變頻器過(guò)壓保護點(diǎn)逐漸提高，不要超過(guò)400V（電解電容耐壓為450V），S曲線(xiàn)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(dòng)時(shí)掛此檔），重復上述操作及調試。注：修改變頻器參數時(shí)，需告訴司機掛空檔。

（4）       汽車(chē)路試

　　上述調試沒(méi)有異常后，司機駕駛汽車(chē)到各站點(diǎn)模擬試驗，每天3-4次。通過(guò)鍵盤(pán)觀(guān)察各監視是否有異常，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(jiàn)表2。

7、結束語(yǔ)

　　普傳PI7000矢量變頻器在混合動(dòng)力電動(dòng)氣車(chē)系統中的轉矩控制的應用，不但節能而且環(huán)保。經(jīng)過(guò)不斷的試驗，不斷的改進(jìn)軟件，現已具有質(zhì)量可靠，性能穩定，調試方便，抗干擾能力強，維護簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，用戶(hù)非常滿(mǎn)意，混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)系統采用變頻器調速技術(shù)值得推廣。