电动汽车用直流无刷电机能量回馈研究
摘要本文对电动汽车用直流无刷电机能量回馈的种类进行了深入探讨，针对不同种类能量回馈的特点进行了详细分析，提出了各种回馈适用的条件。最后简要提出了能量回馈的控制方式，通过在产品中的成功应用，证明这种控制方式具有可行性。
关键词直流无刷；能量回馈；回馈制动
0 引言
随着能源供应的紧张，汽油的价格越来越高，使用电能作为汽车的动力将会是未来发展的大趋势。但是目前车用动力电池的储能低、充电时间长是制约其应用和普及的瓶颈。而采用能量回馈的方式，可以将电动汽车刹车时的能量回馈给电池，这就变相的增加了动力电池的储能大小，延长了电池一次充电的续驶里程，具有重要的现实意义。本文将专门探讨直流无刷电机在电动汽车中使用的能量回馈方式。
1 系统构成
1.1 整车动力系统组成
整车动力系统主要由蓄电池、直流无刷电机、电机控制器和霍尔位置传感器组成，见图1。蓄电池作为整车的电量储存设备，为电动汽车的运行提供电能。位置传感器采用120°电角度的霍尔传感器。电机控制器根据电机运行时的位置传感器信号，按照霍尔序列与三相全桥开关的对应顺序进行功率管的开关变换。霍尔信号与三相全桥的顺序如表1所列，通过图2所示的功率变换电路，将蓄电池的直流电转换成电机工作的交流电流。
功率变换部分主要由蓄电池、功率变换电路和直流无刷电机组成，如图2所示。假设电动汽车正向行驶时开关桥的顺序按照表1中的对应顺序，则开关桥和对应的感生电动势波形为图3所示变化。
1.3 回馈控制方式的分类
按照回馈的不同方式，将直流无刷的能量回馈分为自然回馈、全桥回馈和半桥回馈三种类型。
1.3.1 自然回馈方式
当电动汽车处于下坡位置，由于重力加速度使车速不断加快，电机转速随之升高。根据直流无刷电机的特性，当电机转速n大于时，线圈所产生的感生电动势就会超过电池电压U，将产生的电量自然的回馈到电池中。此时三相全桥中的六个mosfet均处于截止状态，mosfet的续流二极管处于三相整流工作状态。
1.3.2 全桥回馈方式
全桥回馈以t0～t2区间为例，此时T1和T4全部进行PWM调制。
当T1和T4均为导通状态下，选电池的负极为参考点，此时三相中点的电压U0=U/2，D6一直处于截止状态，电流运行方向为：电池正极→T1→A相线圈→B相线圈→T4→电池负极。
当T1和T4处于关断状态，此时三相中点的电压U0=-Ec，电流的运行方向为：电池负极→D2→A相线圈→B相线圈→D3→电池正极，由电机向电池回馈能量。
可以看出在t0～t1区间，D6虽然处于正向压降，但电路中并没有回路；在t1～t2区间，D6处于反向压降截止状态。所以在t1～t2整个周期内，D6一直处
无刷直流电机驱动 James P. Johnson, Caterpiller公司 本章的题目是无刷直流电动机及其驱动。无刷直流电动机（BLDC）的运行仿效了有刷并励直流电动机或是永磁直流电动机的运行。通过将原直流电动机的定子、转子内外对调—变成采用包含电枢绕组的交流定子和产生磁场的转子使得该仿效得以可能。正如本章中要进一步讨论的，输入到BLDC定子绕组中的交流电流必须与转子位置同步更变，以便保持磁场定向，或优化定子电流与转子磁通的相互作用，类似于有刷直流电动机中换向器、电刷对绕组的作用。该原理的实际运用只能在开关电子学新发展的今天方可出现。BLDC电机控制是今天世界上发展最快的运动控制技术。可以预见，随着BLDC的优点愈益被大家所熟知且燃油成本持续增加，BLDC必然会进一步广泛运用。 2011-01-30 23.1 BLDC基本原理 在众文献中无刷直流电动机有许多定义。NEMA标准《运动/定位控制电动机和控制》中对“无刷直流电动机”的定义是：“无刷直流电动机是具有永久磁铁转子并具有转轴位置监测来实施电子换向的旋转自同步电机。不论其驱动电子装置是否与电动机集成在一起还是彼此分离，只要满足这一定义均为所指。”
图23.1 无刷直流电机构形 2011-01-31 若干类型的电机和驱动被归类于无刷直流电机，它们包括： 1 永磁同步电机（PMSMs）； 2 梯形反电势(back - EMF)表面安装磁铁无刷直流电机； 3 正弦形表面安装磁铁无刷直流电机； 4 内嵌式磁铁无刷直流电机； 5 电机与驱动装置组合式无刷直流电机； 6 轴向磁通无刷直流电机。 图23.1给出了几种较常见的无刷直流电机的构形图。永磁同步电机反电势是正弦形的，其绕组如同其他交流电机一样通常不是满距，或是接近满距的集中式绕组。许多无刷直流电
永磁无刷直流电动机的基本工作原理 无刷直流电动机由电动机主体和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品。 1. 电动机的定子绕组多做成三相对称星形接法，同三相异步电动机十分相似。电动机的转子上粘有已充磁的永磁体，为了检测电动机转子的极性，在电动机内装有位置传感器。驱动器由功率电子器件和集成电路等构成，其功能是：接受电动机的启动、停止、制动信号，以控制电动机的启动、停止和制动；接受位置传感器信号和正反转信号，用来控制逆变桥各功率管的通断，产生连续转矩；接受速度指令和速度反馈信号，用来控制和调整转速；提供保护和显示等等。 无刷直流电动机的原理简图如图一所示： 永磁无刷直流电动机的基本工作原理 主电路是一个典型的电压型交-直-交电路，逆变器提供等幅等频5-26KHZ调制波的对称交变矩形波。 永磁体N-S交替交换，使位置传感器产生相位差120°的U、V、W方波，结合正/反转信号产生有效的六状态编码信号：101、100、110、010、011、001，通过逻辑组件处理产生T1-T4导通、T1-T6导通、T3-T6导通、T3-T2导通、T5-T2导通、T5-T4导通，也就是说将直流母线电压依次加在A+B-、A+C-、B+C-、B+A-、C+A-、C+B-上，这样转子每转过一对N-S极，T1-T6功率管即按固定组合成六种状态的依次导通。每种状态下，仅有两相绕组通电，依次改变一种状态，定子绕组产生的磁场轴线在空间转动60°电角度，转子跟随定子磁场转动相当于60°电角度空间位置，转子在新位置上，使位置传感器U、V、W按约定产生一组新编码，新的编码又改变了功率管的导通组合，使定子绕组产生的磁场轴再前进60°电角度，如此循环，无刷直流电动机将产生连续转矩，拖动负载作连续旋转。正因为无刷直流电动机的换向是自身产生的，而不是由逆变器强制换向的，所以也称作自控式同步电动机。 2. 无刷直流电动机的位置传感器编码使通电的两相绕组合成磁场轴线位置超前转子磁场轴线位置，所以不论转子的起始位置处在何处，电动机在启动瞬间就会产生足够大的启动转矩，因此转子上不需另设启动绕组。 由于定子磁场轴线可视作同转子轴线垂直，在铁芯不饱和的情况下，产生的平均电磁转矩与绕组电流成正比，这正是他励直流电动机的电流-转矩特性。 电动机的转矩正比于绕组平均电流： Tm=KtIav （N·m） 电动机两相绕组反电势的差正比于电动机的角速度： ELL=Keω （V） 所以电动机绕组中的平均电流为： Iav=（Vm-ELL）/2Ra （A） 其中，Vm=δ·VDC是加在电动机线间电压平均值，VDC是直流母线电压，δ是调制波的占空比，Ra为每相绕组电阻。由此可以得到直流电动机的电磁转矩： Tm=δ·（VDC·Kt/2Ra）-Kt·（Keω/2Ra） Kt、Ke是电动机的结构常数，ω为电动机的角速度（rad/s），所以，在一定的ω时，改变占空比δ，就可以线性地改变电动机的电磁转矩，得到与他励直流电动机电枢电压控制相同的控制特性和机械特性。
图解电动车电机拆卸换霍尔无刷电机结构示意图：
1.将电机引出线的那一面螺丝全部拆下，找一块木板备用。电机盖最好做好盖和钢圈对应的原位置记号， 不然装上和原位置不对应，有的电机会扫膛的。
2.没拆螺丝那面向下，往木板上用力一敲，电机就脱离出来了。定子有磁性，用力轻的话，会被吸回去。
3.将盖拉出，方便换霍尔。转子线圈最好用软的东西垫着，如泡沫，布。不要把线圈上的铜线擦破皮 了。 4.用刀片将霍尔挖出并刮净槽中的胶质。涂入少量的AB胶，装入霍尔焊接。霍尔有字的为面，面向上，从左至右，1脚是正极，2脚是负极，3脚是信号输出。3个正极和3个负极各自并联，分别接红线和黑线，3根信号线分别接绿、蓝、黄线。通常三个有字的面朝上是60度角，中间那个面向下是120度角。有些电机则相反，具体可用修车宝检测角度。
5.检测电机霍尔好坏：将电机放在两凳上，用扳手固定轴心。接上霍尔插头，打开修车宝电源开关。稍微转一下电机即停，然后再转再停，如此循环，可看到第三行霍尔指示灯有序亮灭。如果一个或几个常亮或常灭，即可判断霍尔损坏。 电机霍尔角度检测：灯亮代表1，灯灭代表0。60度电机指示灯状态：100、110、111、011、001、000；120度电机：100、110、010、011、001、101。 从指示灯的亮灭情况可看到60度电机和120度电机的区别，就是60度电机有111和000两种状态，而120
度电机有010和101。因此，如果出现三个灯同时亮、同时灭的，这个电机就有可能是60度，否则为120度。 如果霍尔接错，也可能出现指示灯错乱而无法判断角度的情况，参考这个帖子：电动车换霍尔后用修车宝测不出电机相位角度是怎么回事？https://www.doczj.com/doc/5814003307.html,/bbs/thread-327168-1-1.html
直流无刷和有刷电机优缺点对比 直流无刷电机的原理是在有刷电机的基础上开发和演变的。在未来的一段时间里将是有刷的替代品随着世界各地发起的保护地球的口号有刷终终究会被无刷所取代。无刷直流电机的基本原理去掉了碳刷用电子元器件代替。用电子元器件的开关特性取代机械碳刷使换向变得无机械接触。无刷相对有刷的电机来说有如下优点一、运行声音小这将是我们这个文明社会必将行进的方向。另何工具它都要求降低噪声来保护我们的声音环境。现在最关键的是用在一些需要安静的地方如医院、银行、机场学校等等安静的场所。二、无火花在一些场合就可以大显身手了有一些易燃易爆的地方。三、寿命长因为它用控制器代替了换向器和碳刷是有刷电机的几倍甚至十几倍。碳刷的寿命是有一定的限度的比如一千个小时碳刷就会磨损殆尽只能更换电刷可是更换电机。四、速度高因为采用了磁场感应没有实质的接触速度可以做的更快。有了这么多的优点但是也有不好的地方一、造价高控制器的成本增加至少百元拿微电机来说。原来的换向器和碳刷的成本要低的多。二、如果使用的环境是在高磁场的地方或曾经接触或和高磁场很近电机将失去作用。因为电机本身的转子部件是磁体所作是经过充磁才有磁性的经过高磁场将改变转子的磁场或是消掉了部分的磁性电机都将不能正常工作。再给你补全一点 1 有位置传感器控制方式优点①因为有霍尔位置传感器所以电机换相准确转子位置检测的准确度不受电机转速的影响②不需要外加的转子位置检测电路硬件电路简单③电机换相控制编程简单不需要处理滤波延迟等问
题。缺点①增大了电机的体积。安装了位置传感器后一方面电机结构变复杂了另一方面电机的体积相对来说变大了妨碍了电机的小型化②增加了电机成本。容量在数百瓦以下的小容量方波型无刷直流电机常用的霍尔位置传感器的成本相对于电机本体来说所占比例比较大③传感器的输出信号易受到干扰。传感器的输出信号都是弱电信号在高温、冷冻、湿度大、有腐蚀物质、空气污浊等工作环境及振动、高速运行等工作条件下都会降低传感器的可靠性。若传感器损坏还可能连锁反应引起逆变器等器件的损坏④传感器的安装精度对电机的运行性能影响很大相对增加了生产工艺的难度。2 无位置传感器控制方式优点①降低成本减小电机的体积②抗干扰能力强能在高温、湿度大、有腐蚀物质、空气污浊的环境中工作③无传感器安装的问题减小电机的生产难度。缺点①如反电势法等转子位置检测方法在低速时检测准确度都不高需要其他方法辅助电机起动②由于各种滤波、比较电路引起的相位延迟必须在算法中加以补偿所以算法编程难度较大③由于架构了转子位置检测电路所以增加了硬件的复杂性。
BLDC SERVO DRIVERS 无刷直流调速驱动器 使用手册1.3 系统上电前请仔细阅读手册 DBLS-01系列 直流无刷电机驱动说明书 一、概述 本控制驱动器为闭环速度型控制器，采用最近型IGBT和MOS功率器，利用直流无刷电机的霍尔信号进行倍频后进行闭环速度控制，控制环节设有PID速度调节器，系统控制稳定可靠，尤其是在低速下总能达到最大转矩，速度控制范围150~6000rpm。 二、特点 1、PID速度、电流双环调节器 2、高性能低价格 3、20KHZ 斩波频率 4、电气刹车功能，使电机反应迅速 5、过载倍数大于2，在低速下转矩总能达到最大 6、具有过压、欠压、过流、过温、霍尔信号非法等故障报警功能 三、电气指标 标准输入电压：24VDC\36VDC\48VDC 三种 最大输入过载保护电流：5A\15A两种 加速时间常数出厂值：0.2秒其他可定制 四、端子接口说明
1、电源输入端 引角序号引角名中文定义 1 V+ 直流+24V输入 2 GND 直流0V输入 2、电机输入端 引角序号引角名中文定义 1 MA 电机A相 2 MB 电机B相 3 MC 电机C相 4 GND 地线 5 HA 霍尔信号A相输入端 6 HB 霍尔信号B相输入端 7 HC 霍尔信号C相输入端 8 +6.25 霍尔信号的电源线 3、控制信号部分 GND：信号地 F/R：正、反转控制，接GND反转，不接正转，正反转切换时，应先关断EN EN：使能控制：EN接地，电机转（联机状态），EN不接，电机不转（脱机状态） BK：刹车控制：当不接地正常工作，当接地时，电机电气刹车，当负载惯量较大时，应采用脉宽信号方式，通过调整脉宽幅值来控制刹车效果。 SV ADJ：外部速度衰减：可以衰减从0~100%，当外部速度指令接6.25V时，通过该电位器可以调速试机 PG：电机速度脉冲输出：当极对数为P时，每转输出6P个脉冲（OC门输入） ALM：报警输出：当电路处于报警状态时，输出低电平（OC门输出） +6.25V：调速电压输出，可用电位器在SV和GND形成连续可调 拔码开关说明：四个档位为OFF时，电机不运行，SW1为ON状态时，电机转速为100%，SW2为ON状态时，电机转速为80%，SW3为ON状态时，电机转速为40%，SW4为ON状态时，电机转速为20%。 4.机械安装：
纯电动汽车制动能量回 收技术 Document number：PBGCG-0857-BTDO-0089-PTT1998
纯电动汽车制动能量回收技术 电动汽车制动能量回收技术是利用汽车在踩动刹车进行减速时将制动效能转变为电能储存并回收到电池当中，摩擦能量没有被浪费掉而是变相扩充了电池的容量，增加了纯电动汽车的续航里程，并且减少了刹车系统耗材的磨损。 电动汽车在“新能源”话题备受瞩目的今日已经不是个陌生词语，但是电动汽车的历史比大多数人想像得要长很多。1896年还推出了为电动车换电的服务，也就是我们今天所说的“充电桩”的雏形[仇建华，张珍，电动汽车制动能量回收方式设计[J].上海汽车.2012，12.]；在十九世纪末二十世纪初的交通大变革中，电动汽车作为一种新型事物快速成长但又迅速陨落。有社会环境的影响也有自身条件的限制。 目前常见的纯电动汽车，其动力电池组、电池变换器和电动机之间为电气连接，电动机、减速器和车轮之间为机械连接。 纯电动汽车制动能量回收技术研究背景 ?动车从登上历史的舞台开始，续航性能如何提升一直是人们争议很大的点。从根本上来说，续航能力可以通过
改进蓄能和驱动方式来提高，除此之外，制动能量回收也是重要的方式之一。 制动能量回收，简单来说，就是把电动汽车的电机组中无用的部分、不需要的部分，甚至有害的惯性转动带来的动能转化为电能，并返回给蓄电池，与此同时产生制动力矩，使电动机快速停止惯性转动，这整个过程也就成为再生制动过程[叶永贞，纯电动汽车制动能量回收系统研究[D].山东：青岛理工大学，2013.]。 电动汽车发展至今，已有大部分安装了类似装置以节约制动能，经过研究发现，在行驶路况频繁变化的路段，制动能量回收技术可以增加20%左右的续驶里程。 制动能量回收方法 制动能量回收方法有常见三种： 飞轮蓄能。特点：①结构简单；②无法大量蓄能。 液压蓄能。特点：①简便、可大量蓄能；②可靠性高。 蓄电池储能。特点：①无法大量蓄能②成本太高。 电动汽车制动能量回收系统的结构 无独立发电机的制动能量回收系统。①前轮驱动制动能量回收系统；②全轮驱动能量回收制动系统。有独立发电机的制动能量回收系统。 系统传动方式
电动车用无刷直流电机工作原理.txt23让我们挥起沉重的铁锤吧！每一下都砸在最稚嫩的部位，当青春逝去，那些部位将生出厚晒太阳的茧，最终成为坚实的石，支撑起我们不再年轻但一定美丽的生命。电动车用无刷直流电机工作原理 2008年04月29日星期二 19:44 摘?? 要: 无刷直流电机因为具有直流有刷电机的特性,同时也是频率变化的装置,所以又名直流变频,国际通用名词为bldc.无刷直流电机的运转效率,低速转矩,转速精度等都比任何控制技术的变频器还要好,所以值得业界关注.本产品已经生产超过55kw,可设计到400kw,可以解决产业界节电与高性能驱动的需求。 . 关键词:无刷直流电机?? 永磁同步电机??? 直流变频??? 钕铁硼 abstract: brushless direct current motor has the same dc motor output characteristics, also named bldc. bldc have higher output torque in low speed, higher efficiency and better speed precision than any control modes of frequency converter drives. this chapter introduce capacity up to 400kw for the industrial application. key words:brushless direct current motor?? permanent magnetic synchronous motor??? bldc ndfeb [中图分类号]tm921??? [文献标识码]b???? 文章编号 1561-0330(2003)06-00 1 无刷直流电动机简介?? 无刷直流电动机的学名叫“无换向器电机”或“无整流子电机”,是一种新型的无级变速电机,它由一台同步电机和一组逆变桥所组成,如图1所示。它具有直流电机那样良好的调速特性,但是由於没有换向器,因而可做成无接触式,具有结构简单,制造方便,不需要经常性维护等优点,是一种现想的变速电机。 在工作原理上有二种不同的工作方式： (1)直流无刷电机:又称“无换向器电机交一直一交系统”或“直交系统”,如图1所示。是将三相交流电源整流后变成直流，再由逆变器转换成频率可调的交流电,但是,注意此处逆变器是工作在直流斩波方式。 (2)交流无刷电动机:它是利用交-交变频器向同步机供给交流电。 （插图1） 无刷直流电动机brushless direct current motor ,bldc,采用方波自控式永磁同步电机,以霍尔传感器取代碳刷换向器,以钕铁硼作为转子的永磁材料;产品性能超越传统直流电机的所有优点,同时又解决了直流电机碳刷滑环的缺点,数字式控制,是当今最理想的调速电机(参考下列美国能源部针对各种不同调速电机效率比较图). 本产品具有高效率,高转矩,高精度的三高特点;同时具有体积小,重量轻,可作成各种体积形状,是当今最高效率的调速电机,与传统直流有刷电机比较,或与交流变频调速比较均有更好的性能;在牵引电机电瓶车ev行业,取代传统直流有刷电机时除可以达到更高效率,更高激活转矩等特性外,由于采用方波驱动,让铅酸蓄电池有时间修补电极板,可以延长蓄电池的寿命,提高约1.3倍的电池容量,综合效率约可提高一倍左右的电池容量,大大的改善了电瓶车的性能. 无刷直流电动机在先进国家已大量应用于军事、信息业(it)、办公设备(oa)、家电业(ha)、diy手动工具、伺服系统、电动汽车、电瓶车、磁旋浮列车等;经过本公司十多年的研究开发,目前生产容量已经达75kw,设计容量可达315kw,可以满足产业自动化及流体机械、空调机械的节电驱动应用. ???? 无刷直流电动机具有上述的三高特性,非常适合使用在24小时连续运转的产业机械及
电机数学模型 以二相导通星形三相六状态为例，分析BLDC的数学模型及电磁转矩等特性。为了便于分析，假定： a)三相绕组完全对称，气隙磁场为方波，定子电流、转子磁场分布皆对称； b)忽略齿槽、换相过程和电枢反应等的影响； c)电枢绕组在定子内表面均匀连续分布； d)磁路不饱和，不计涡流和磁滞损耗。 则三相绕组的电压平衡方程可表示为： 错误！未找到引用源。(1) 式中：错误！未找到引用源。为定子相绕组电压(V)；错误！未找到引用源。为定子相绕组电流(A)；错误！未找到引用源。为定子相绕组电动势(V)；L为每相绕组的自感(H)；M为每相绕组间的互感(H)；p为微分算子p=d/dt。 三相绕组为星形连接，且没有中线，则有 错误！未找到引用源。(2) 错误！未找到引用源。(3) 得到最终电压方程： 错误！未找到引用源。(4) e c c 图.无刷直流电机的等效电路 无刷直流电机的电磁转矩方程与普通直流电动机相似，其电磁转矩大小与磁通和电流幅值成正比 错误！未找到引用源。(5) 所以控制逆变器输出方波电流的幅值即可以控制BLDC电机的转矩。为产生恒定的电磁转矩，要求定子电流为方波，反电动势为梯形波，且在每半个周期内，方波电流的持续时间为120°电角度，梯形波反电动势的平顶部分也为120°
电角度，两者应严格同步。由于在任何时刻，定子只有两相导通，则：电磁功率可表示为： 错误！未找到引用源。(6) 电磁转矩又可表示为： 错误！未找到引用源。(7) 无刷直流电机的运动方程为： 错误！未找到引用源。(8) 其中错误！未找到引用源。为电磁转矩；错误！未找到引用源。为负载转矩；B为阻尼系数；错误！未找到引用源。为电机机械转速；J为电机的转动惯量。 传递函数： 无刷直流电机的运行特性和传统直流电机基本相同，其动态结构图可以采用直流电机通用的动态结构图，如图所示： 图2.无刷直流电机动态结构图 由无刷直流电机动态结构图可求得其传递函数为: 式中： K1为电动势传递系数，错误！未找到引用源。，Ce 为电动势系数； K2为转矩传递函数，错误！未找到引用源。，R 为电动机内阻，Ct 为转矩系数；T m为电机时间常数，错误！未找到引用源。，G 为转子重量，D 为转子直径。基于MATLAB的BLDC系统模型的建立 在Matlab中进行BLDC建模仿真方法的研究已受到广泛关注，已有提出采用节点电流法对电机控制系统进行分析，通过列写m文件，建立BLDC仿真模型，
制动能量回馈系统协调控制 张俊智，张鹏君，陆欣，陈鑫 清华大学汽车安全与节能国家重点实验室，北京，100084 【摘要】本文为混合动力电动汽车设计了分层控制的制动能量回馈系统，该分层结构主要包括驾驶员意图识别、能量管理和元件协调控制三个部分。分层控制结构的采用，将复杂的制动能量回馈系统简化为若干部分，降低了控制难度，为研究提供了便利。所设计的系统已在一款串联混合动力客车上实现，并根据中国城市公交循环工况进行了道路测试。 【关键词】混合动力电动汽车，制动能量回馈系统，分层控制结构，协调控制 Coordinated Control for Regenerative Braking System Zhang Junzhi, Zhang Pengjun, Luxin, Chen Xin State Key Lab. of Automotive Energy and Safety, Tsinghua University, Beijing, China, 100084 Abstract: This paper presents a design of regenerative braking system(RBS) for hybrid electric vehicles using hierarchical control structure and method. The hierarchical model is mainly composed of three modules for driver intent identification, energy management and coordinated control based on components control. As a consequence, RBS, a complicated hybrid dynamic system, is successfully decomposed by several simple modules. The control system and strategies are carried out on a typical serial HEV bus, and tested on road based china typical urban cycle.. Key words: hybrid electric vehicles, regenerative braking system, hierarchical control structure, coordinated control 1 介绍 车辆的动能通过制动能量回馈系统可转化为其它形式能量储存起来，并进一步用于车辆驱动。研究显示，在城市驾驶循环中，发动机发出能量的大约1/3至1/2被制动过程所消耗[1，2]。因此，回馈制动是车辆提高燃油经济性并降低排放的有效方法，有助于缓解能源危机和环境污染。
纯电动汽车制动能量回收技术 电动汽车制动能量回收技术是利用汽车在踩动刹车进行减速时将制动效能转变为电能储存并回收到电池当中，摩擦能量没有被浪费掉而是变相扩充了电池的容量，增加了纯电动汽车的续航里程，并且减少了刹车系统耗材的磨损。 电动汽车在“新能源”话题备受瞩目的今日已经不是个陌生词语，但是电动汽车的历史比大多数人想像得要长很多。1896年还推出了为电动车换电的服务，也就是我们今天所说的“充电桩”的雏形[仇建华，张珍，电动汽车制动能量回收方式设计[J].上海汽 车.2012，12.]；在十九世纪末二十世纪初的交通大变革中，电动汽车作为一种新型事物快速成长但又迅速陨落。有社会环境的影响也有自身条件的限制。 目前常见的纯电动汽车，其动力电池组、电池变换器和电动机之间为电气连接，电动机、减速器和车轮之间为机械连接。 纯电动汽车制动能量回收技术研究背景 ?动车从登上历史的舞台开始，续航性能如何提升一直是人们争议很大的点。从根本上来说，续航能力可以通过改进蓄能和驱动方式来提高，除此之外，制动能量回收也是重要的方式之一。 制动能量回收，简单来说，就是把电动汽车的电机组中无用的部分、不需要的部分，甚至有害的惯性转动带来的动能转化为电能，并返回给蓄电池，与此同时产生制动力矩，使电动机快速停止惯性转动，这整个过程也就成为再生制动过程[叶永贞，纯电动汽车
制动能量回收系统研究[D].山东：青岛理工大学，2013.]。 电动汽车发展至今，已有大部分安装了类似装置以节约制动能，经过研究发现，在行驶路况频繁变化的路段，制动能量回收技术可以增加20%左右的续驶里程。 制动能量回收方法 制动能量回收方法有常见三种： 飞轮蓄能。特点：①结构简单；②无法大量蓄能。 液压蓄能。特点：①简便、可大量蓄能；②可靠性高。 蓄电池储能。特点：①无法大量蓄能②成本太高。 电动汽车制动能量回收系统的结构 无独立发电机的制动能量回收系统。①前轮驱动制动能量回收系统；②全轮驱动能量回收制动系统。有独立发电机的制动能量回收系统。 系统传动方式 液压混合动力系统的系统传动方式有四种：串联式；并联式；混联式；轮边式。 串联式混合动力驱动系统。串联式混合动力驱动系统，动力源有：发动机和高压蓄能器。 这种方式只适合整车质量小、车速不能过高的小型公交车等。 并联式混合动力驱动系统。并联式混合动力驱动系统动力源是发动机和高压蓄能器。但并联式车辆在制动能量再生系统不工作或出故障时可以由发动机单独直接驱动车辆。 并联式系统的驱动路线有两条，一条是由发动机传给变速器，
无刷直流电机通常情况下转子磁极采用瓦型磁钢，经过磁路设计，可以获得梯形波的气隙磁密，定子绕组多采用集中整距绕组，因此感应反电动势也是梯形波的。无刷直流电机的控制需要位置信息反馈，必须有位置传感器或是采用无位置传感器估计技术，构成自控式的调速系统。控制时各相电流也尽量控制成方波，逆变器输出电压按照有刷直流电机PWM的方法进行控制即可。本质上，无刷直流电机也是一种永磁同步电动机，调速实际也属于变压变频调速范畴。 通常说的交流永磁同步伺服电机具有定子三相分布绕组和永磁转子，在磁路结构和绕组分布上保证感应电动势波形为正弦，外加的定子电压和电流也应为正弦波，一般靠交流变压变频器提供。永磁同步电机控制系统常采用自控式，也需要位置反馈信息，可以采用矢量控制（磁场定向控制）或直接转矩控制的先进控制方式。 两者区别可以认为是方波和正弦波控制导致的设计理念不同。最后明确一个概念，无刷直流电机的所谓“直流变频”实质上是通过逆变器进行的交流变频，从电机理论上讲，无刷直流电机与交流永磁同步伺服电机相似，应该归类为交流永磁同步伺服电机；但习惯上被归类为直流电机，因为从其控制和驱动电源以及控制对象的角度看，称之为“无刷直流电机”也算是合适的。 无刷直流电机通常情况下转子磁极采用瓦型磁钢，经过磁路设计，可以获得梯形波的气隙磁密，定子绕组多采用集中整距绕组，因此感应反电动势也是梯形波的。无刷直流电机的控制需要位置信息反馈，必须有位置传感器或是采用无位置传感器估计技术，构成自控式的调速系统。控制时各相电流也尽量控制成方波， 逆变器输出电压按照有刷直流电机PWM的方法进行控制即可。 本质上，无刷直流电动机也是一种永磁同步电动机，调速实际也属于变压变频调速范畴。通常说的永磁同步电动机具有定子三相分布绕组和永磁转子，在磁路结构和绕组分布上保证感应电动势波形为正弦，外加的定子电压和电流也应为正弦波，一般靠交流变压变频器提供。永磁同步电机控制系统常采用自控式，也需要位置反馈信息，可以采用矢量控制（磁场定向控制）或直接转矩控制的先进控制 策略。 两者区别可以认为是方波和正弦波控制导致的设计理念不同。 最后纠正一个概念，“直流变频”实际上是交流变频，只不过控制对象通常称之为“无刷直流电机”。 仅对电机结构而言，二者确实相差不大，个人认为二者的区别主要在于： 1 概念上的区别。无刷直流电机指的是一个系统，准确地说应该叫“无刷直流电机系统”，它强调的是电机和控制器的一体化设计，是一个整体，相互的依存度非常高，电机和控制器不能独立地存在并独立工作，考核的也是他们整体的技术性能。而交流永磁同步电机指的是一台电机，强调的是电机本身就是一台独立的设备，它可以离开控制器或变频器而独立地存在独立地工作。 2 从设计和性能角度上看，“无刷直流电机系统”设计时主要考虑将普通的机械换向变为电子换向后如何还能保持机械换向电机的优点，考核的重点也是系统的直流电机特性，如调速特性等；而交流永磁同步电机设计主要着重电机本身的性能，特别是交流电机的性能，如电压的波形、电机的功率因数、效率功角特性等。 3 从反电势波形看，无刷直流电机多为方波，而交流永磁同步电机反电势波形多为正弦波。 4 从控制角度看无刷直流电机系统基本不用什么算法，只是依据转子位置考虑给那个绕组通电流即可，而交流永磁同步电机如果需要变频调速则需要一定的算法，需要考虑电枢电流的无功和有功等。
电动车电机按结构分（二） 按结构分有内磁转子和外磁转子之分，内磁转子主要用于柱式电动机，属于中速以上品种；外磁转子则用于轮毂型电动机，属低速型。 （）按外形结构形式分有柱式和轮毂式两种。 按电动机的外形可分为轮毂式直流电动机和柱式直流电动机，这是经常使用的；还有一种是盘形直流电动机一般比较少用。所谓轮毂式电动机，其外形像一个$#% 摩托车的制动鼓，只是尺寸稍微大一点，由于外形像轮毂，所以称之为轮毂式直流电动机。它的特点是中心轴固定，外壳可以输出转矩并带动车轮转动。柱式电动机，外形是圆柱形，外壳固定，由中心轴输出转矩。这种电动机多用于链式传动或带传动的电动车，如滑板车、两轮、三轮电动车。柱式电动机分为有刷和无刷两种柱式无刷直流电动机。柱式电动机都是外壳固定，有刷电枢为转子，无刷的则磁钢为转子。柱式电动机多用于中轴链条驱动的助型和动力箱式驱动的电动自行车。 "柱式有刷电动机。无论高中低速，主要是用于链传动、齿轮传动、中轴谐波传动，以及摩擦驱动等。如悍马的链传动，新开发的锥齿轮传动，福岳的中轴驱动和倍特的摩擦驱动等。轮毂式直流电动是电动自行车使用最多的一种。又可分有刷和无刷，有刷的大部分是盘形电枢加内减速机构。轮毂式电动机安装在前轮或后轮上。由于是直接驱动车轮，所以电动机的转速、转矩等输出性能要符合最不利状态下的要求。轮毂式直流电动机是电动自行车独有的一种形式。 轮毂式电动机是外壳转动，但内部结构却有完全不同的三种形式：轮毂式有刷盘形电枢直流电动机，盘形电枢是高转速的，电动机内部需要设齿轮减速机构。轮毂式有刷低转速大转矩无齿轮传动直流电动机。轮毂式无刷直流电动机，是一种低转速大转矩型电动机。盘型电枢有刷电动机属于无铁心高转速电动机，对车体速度变化不敏感，因此对电动机无冲击伤害，它的起动力强，绕组电流变化小，耗电相对较低；这种电动车可以爬过的坡度是，此时电动机的最大输出转矩是·，电动机最大电流为。 "# $%& ’($) 两种新型无刷电动机 柱式高速无刷电动机。这种电动机具有减速箱，减速后经小链轮子链条输出转矩，它的机动性较强，既可以后轮驱动，也可以中轴驱动。它既具有无刷电动机的优点，又具有高速电动机的优点，起动能力和爬坡能力强。 可以发电并回充的无刷电动机组。目前，有由深圳百利港公司研制推出的+,- . ( 型车用自发电无刷电动机组。构造。由自发电无刷电动机、配套控制器、智能充电器和暂时储能器组成。电动机定子电枢全封闭，中间为定子，右侧为磁钢转子，左边为端盖。电枢有三相同芯绕组，转子
电机与拖动基础 课程设计报告 设计题目： 学号： 指导教师： 信息与电气工程学院 二零一六年七月
直流无刷电机本体设计 1. 设计任务 (1) 额定功率 80N P W = (2) 额定电压310N U V ≤ (3) 电动机运行时额定转速 1000/min N n r = (4) 发电机运行时空载转速max 6000/min n r = (5) 最大允许过载倍数 2.5λ= (6) 耐冲击能力21500/m a m s = (7) 机壳外径42D mm ≤ 设计内容： 1. 根据给定的技术指标，计算电机基本尺寸，包括：定子铁心外径、定子 铁心内径、铁心长度等。 2. 磁路计算，包括极对选择、磁钢选型、磁钢厚度、气隙长度等方面计算。 3. 定子绕组计算，包括定子绕组形式、定子槽数、绕组节距等计算。 2. 理论与计算过程 2.1 直流无刷电机的基本组成环节 直流无刷电动机的结构原理如图2-1-1所示。它主要由电机本体、位置传 感器和电子开关线路三部分组成。电机本体在结构上与永磁同步电动机相似，但没有笼型绕组和其他起动装置。其定子绕组一般制成多相（三相、四相、五相不等），转子由永久磁钢按一定极对数（2p=2,4,……）组成。图中的电机本体为三相电机。三相定子绕组分别与电子开关线路中相应的功率开关器件连接，位置
传感器的跟踪转子与电动机转轴相连接。 当定子绕组的某一相通电时，该电流与转子永久磁钢的磁极所产生的磁场相 互作用而产生转矩，驱动转子旋转，再由位置传感器将转子磁钢位置变换成电信号，去控制电子开关线路，从而使定子各相绕组按一定次序导通，定子相电流随转子位置的变化而按一定的次序换相。由于电子开关线路的导通次序是与转子转角同步的，因而起到了机械换向器的换向作用。 因此，所谓直流无刷电机，就其基本结构而言，可以认为是一台由电子开关 线路、永磁式同步电机以及位置传感器三者组成的“电动机系统”。其原理框图如图2-1-2所示。 图2-1-1 直流电动机的工作原理图 图2-1-2 直流无刷电机的原理框图 直流电源 电动机 位置传感器 开关电路
2005005 电动汽车能量回馈的整车控制 张 毅,杨 林,朱建新,冒晓建,卓 斌 (上海交通大学汽车电子研究所,上海 200030) [摘要] 以4种典型循环工况为例对电动汽车进行能量分析,设计了基于常规汽车制动系统的整车能量回馈控制方式,研究了控制策略,完成了车辆道路试验与标定优化。试验表明,整车能量回馈控制方式与控制策略安全、可靠,且柔顺性良好;利用能量回馈技术,蓄电池能量消耗可减少10%,能有效延长电动汽车的一次充电续驶里程。 关键词:电动汽车,能量回馈,控制策略 The Control Strategy of Energy Regeneration for Electric Vehicle Zhang Yi,Yang Lin,Zhu Jianxin,Mao Xiaojian&Zhuo Bin Instit ute of A utomotive Elect ronic Technology,S hanghai Jiaotong U niversity,S hanghai200030 [Abstract] The energy consumption in four typical vehicle testing cycles(FTP,HWEFT,ECE2EUDC and J P1015)is analyzed for EV.Based on the traditional vehicle braking system,a new regenerative braking scheme and its control strategy are designed.The road testing,calibration and optimization are performed.T est results show that the control scheme and strategy is safe,https://www.doczj.com/doc/5814003307.html,ing the regenerating scheme,the energy consumption of battery can re2 duce by10percent and the driving range of EV in one charge can increase effectively. K eyw ords:Electric vehicle,E nergy regeneration,Control strategy 原稿收到日期为2003年12月29日,修改稿收到日期为2004年3月8日。 1 前言 电动汽车采用了新型的汽车动力,如何充分提 高车辆行驶能量效率,进而延长车辆续驶里程,是电 动汽车需要解决的一个关键问题。能量回馈是解决 该问题的主要技术措施。 能量回馈包括车辆制动能量回馈与车辆滑行能 量回馈两种。此时,驱动电机按发电机运行,将车辆 行驶动能转化为电能,可以起到3个作用:辅助制 动;回收能量给动力蓄电池充电,从而延长车辆续驶 里程;在车辆有供热需求时,直接利用这部分电能供 热取暖。 能量回馈制动与电动汽车其它电气制动方式 (主要有能耗制动、反接制动[1])比较,无须改变系 统硬件结构,回馈电流可柔性控制,可使制动效果与 能量回收效果综合最佳。因此,能量回馈是最适合 电动汽车的电气制动方式,其关键是能量回馈的过 程控制。电动汽车的能量回馈控制由整车控制与电 机控制交互作用而实现,作者在电动汽车制动能量 分析的基础上,设计一种能量回馈的整车控制方式, 并进行相应控制策略的研究。 2 制动能量分析 为了进行电动汽车能量回馈控制,需首先探明 其在各种用途中的制动能量回馈潜力。作者分别以 美国F TP工况、高速公路HFET工况、欧洲城市循 环ECE2EUDC工况和日本J P10154种循环工况为 例,进行制动能量的分析。 4种循环工况的驱动与制动能量如图1所示, 可见在这4种循环工况中,制动能量都占了不小的 比例,其中J P1015工况为2517%,ECE2EUDC工况 为18%,HFET工况为6%,F TP为25%。 回馈能量还与制动方式和回馈系统各环节的效 率因子有关[2]。电动汽车的制动方式包括:电气制2005年(第27卷)第1期 汽 车 工 程 Automotive Engineering 2005(Vol.27)No.1
摘要 近年来，燃油交通工具因尾气排放问题已造成城市空气的严重污染。于是发展绿色交通工具已经成为一个重要的课题。考虑到我国的国情，发展电动自行车具有重要的环保意义。随着电机技术及功率器件性能的不断提高，电动自行车的控制器发展迅速。本文设计采用无刷直流电机专用控制芯片MC33033为控制芯片，以功率器件MOSFET为开关器件驱动电机，实现对无刷直流电机的控制。设计出了电路原理图、印制板电路图和电路板实物的3维效果图。 关键词：无刷直流电机MC33033 原理图印制板电路图
Abstract In recent years, transportation fuel emission problem has been caused by urban air pollution levels. So the development of green transport has become an important issue. Taking into account China's national conditions, development of electric bicycles has important environmental significance. With the motor technology and continuously improve the performance of power devices, the rapid development of electric bicycle controller. This design uses a brushless DC motor for the control of dedicated control chip MC33033 chip, in order to power MOSFET devices as the switching device drive motor, to achieve control of the electric bike. Design a circuit diagram, PCB circuit diagrams and circuit board real 3-D renderings. Keywords：brushless DC motor MC33033 Schematic PCB circuit
电动汽车用直流无刷电机能量回馈研究 摘要本文对电动汽车用直流无刷电机能量回馈的种类进行了深入探讨，针对不同种类能量回馈的特点进行了详细分析，提出了各种回馈适用的条件。最后简要提出了能量回馈的控制方式，通过在产品中的成功应用，证明这种控制方式具有可行性。 关键词直流无刷；能量回馈；回馈制动 0 引言 随着能源供应的紧张，汽油的价格越来越高，使用电能作为汽车的动力将会是未来发展的大趋势。但是目前车用动力电池的储能低、充电时间长是制约其应用和普及的瓶颈。而采用能量回馈的方式，可以将电动汽车刹车时的能量回馈给电池，这就变相的增加了动力电池的储能大小，延长了电池一次充电的续驶里程，具有重要的现实意义。本文将专门探讨直流无刷电机在电动汽车中使用的能量回馈方式。 1 系统构成 1.1 整车动力系统组成 整车动力系统主要由蓄电池、直流无刷电机、电机控制器和霍尔位置传感器组成，见图1。蓄电池作为整车的电量储存设备，为电动汽车的运行提供电能。位置传感器采用120°电角度的霍尔传感器。电机控制器根据电机运行时的位置传感器信号，按照霍尔序列与三相全桥开关的对应顺序进行功率管的开关变换。霍尔信号与三相全桥的顺序如表1所列，通过图2所示的功率变换电路，将蓄电池的直流电转换成电机工作的交流电流。 功率变换部分主要由蓄电池、功率变换电路和直流无刷电机组成，如图2所示。假设电动汽车正向行驶时开关桥的顺序按照表1中的对应顺序，则开关桥和对应的感生电动势波形为图3所示变化。 1.3 回馈控制方式的分类 按照回馈的不同方式，将直流无刷的能量回馈分为自然回馈、全桥回馈和半桥回馈三种类型。 1.3.1 自然回馈方式 当电动汽车处于下坡位置，由于重力加速度使车速不断加快，电机转速随之升高。根据直流无刷电机的特性，当电机转速n大于时，线圈所产生的感生电动势就会超过电池电压U，将产生的电量自然的回馈到电池中。此时三相全桥中的六个mosfet均处于截止状态，mosfet的续流二极管处于三相整流工作状态。 1.3.2 全桥回馈方式 全桥回馈以t0～t2区间为例，此时T1和T4全部进行PWM调制。 当T1和T4均为导通状态下，选电池的负极为参考点，此时三相中点的电压U0=U/2，D6一直处于截止状态，电流运行方向为：电池正极→T1→A相线圈→B相线圈→T4→电池负极。 当T1和T4处于关断状态，此时三相中点的电压U0=-Ec，电流的运行方向为：电池负极→D2→A相线圈→B相线圈→D3→电池正极，由电机向电池回馈能量。 可以看出在t0～t1区间，D6虽然处于正向压降，但电路中并没有回路；在t1～t2区间，D6处于反向压降截止状态。所以在t1～t2整个周期内，D6一直处