什么是电动汽车的动能回收?

原创 转子磁场定向 2024-09-09 10:07

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新能源汽车有一个动能回收模式,就是电机减速时,可以把电机能量回收到电池储存起来继续使用。这个是如何实现的呢?

本质上来说,这是电机工作在了发电状态。什么是电机的发电状态?这个就要从电机的四象限工作模式说起了。

电机的功率表达式:

当功率大于0,表示能量从控制器流向电机,电机工作在电动模式,消耗能量。

当功率小于0,表示能量从电机流向控制器,电机工作在发电模式,输出能量。

转矩公式如下:

以SPM为例,转矩极性直接和转矩电流相关。所以可以总结成以下结论:

正转时,速度为正,转矩电流为正,输出正转矩,电机工作在电动模式。

正转时,速度为正,转矩电流为负,输出负转矩,电机工作在发电模式。

反转时,速度为负,转矩电流为正,输出正转矩,电机工作在发电模式。

反转时,速度为负,转矩电流为负,输出负转矩,电机工作在电动模式。

以上就是电机的四象限工作模式,无论永磁同步电机还是三相异步电机都遵循这个原则,如下图所示:

那么回到文章开头的问题,只要电机工作在正转发电或者反转发电的模式下,就可以实现动能回收。

常见的FOC发电模式,正转就控制转矩电流的负向幅值,反转就控制转矩电流正向幅值,分别对应Iq的负值和Iq的正值。

FOC发电是一种可控的发电模式,因为转矩电流可控,力矩可控,速度可控,最终实现发电功率可控。尤其需要注意的是:这种工作状态下,逆变器的开关器件依然在工作,电流不是只走续流二极管,还会走开关器件的。

电机控制的角度,通过控制转矩电流来理解发电;

电力电子的角度,就要从逆变器的开关状态,等效成buck-boost电路来理解发电;

除了FOC发电,还有一种不可控的发电模式,并且往往容易让初学者混淆的方式,便是整流发电。

先学习整流电路:

u2是交流电,类似电网或者电机的反电势。

当u2是正电压,VD1,RL,VD4形成回路。

当u2是负电压,VD2,RL,VD3形成回路。

所以当反电势的电压超过了直流电压时,逆变器没有工作在开关状态,就可能通过逆变器的反并联二极管对电池充电。


反电势等于磁链乘速度,也就是说,当电机不弱磁运行时,一般不会出现反电势大于直流电压的情况。

但是电动汽车这种2倍弱磁是常态的情况下,如果高速下逆变器停止了工作,那么就会导致反电势高于直流电压,通过逆变器的反并联二极管整流充电了。

特别需要注意的是:这是一种不可控的整流方式,完全取决于反电势和直流电压的值,并不能平稳发电,并且可能导致直流电容或者电池过压击穿。

早年工作的时候,看到起重机械或者电梯这种下行发电的状态,电机肯定运行在发电状态,但是我一直错误地理解成整流发电的状态。

直到深入理解了FOC控制才明白,电机的发电和电动都是可控的,并且无论发电还是电动,逆变器的开关管都要按照FOC控制指令工作在开关状态,这是FOC发电和整流发电的区别。

实际电机工作状态下,弱磁区突然电机失控,逆变器停止工作的话,反电势进入整流发电的状态是非常危险,可能造成直流侧器件过压损坏。

电动汽车的安全控制策略是对电机降速,比如主动短路。

工业产品,比如汇川的变频器,会在输出侧加断路器,异常状态切断断路器,断开整流充电回路。

以上两种模式都是针对逆变器,做过四象限变频器的同行,就会想起可以往电网回馈能量的PWM整流器。

整流器拓扑和逆变器一致,采用IGBT可控整流,为了满足网侧谐波要求,配置LCL滤波器进行滤波,同时整流器采用较高的开关频率,保证能量可以向网侧流动。

当电机工作在电动状态,能量从网侧流向直流侧。

当电机工作在发电状态,能量从直流侧向电网发电。

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转子磁场定向 十余年FOC开发经验,精通永磁同步电机和三相异步电机无感FOC控制。
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