48V技術(shù)新認(rèn)識(shí)之二：低電壓大功率電動(dòng)車控制方案

1989 Isao 提出了將電機(jī)定子繞組打開，將兩個(gè)將兩個(gè)逆變器從繞組兩端分別供電的結(jié)構(gòu)如圖1所示

圖 1 雙逆變變頻與異步電動(dòng)機(jī)較早電控圖示

考慮自媒體讀者電力電子知識(shí)水平參差不齊，本文會(huì)以較通俗的方式介紹電動(dòng)車雙電壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理。讓即便只有初中物理知識(shí)水平的人也能看懂。

圖1中 Ud是一個(gè)儲(chǔ)能部件電池，如池塘里能游動(dòng)的魚，電池里電能是魚。逆變器是一個(gè)魚塘進(jìn)出門網(wǎng)。電動(dòng)機(jī)是消耗電能的，就好比煮魚的廚房。如果要做出一頓大餐讓吃貨滿意。那么就需要根據(jù)吃貨（電動(dòng)機(jī)的需求去煮魚）。電動(dòng)機(jī)需要根據(jù)車輛的運(yùn)動(dòng)特性來需求調(diào)配電力。所以呢，什么樣的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)才是最佳的電控系統(tǒng)呢？

調(diào)配電力能力跟車輛需求特性匹配的電控系統(tǒng)。

異步（同步）電動(dòng)機(jī)定子需求的是正弦波。而電池供給的直流小幅波動(dòng)電壓（電池電量不同會(huì)有偏移）。這就要求逆變器使用高速開關(guān)器件（IGBT,GTO,MEOST）將電池電能調(diào)配成正弦波。這正弦波是不同電壓，不同頻率的。

根據(jù)"solar to service"（太陽能到服務(wù)人們生產(chǎn)生活的效率）的三個(gè)效率，及電動(dòng)車電能使用調(diào)配補(bǔ)能方式的分析中，我們知道，60V以內(nèi)的安全電壓適用于補(bǔ)能方式補(bǔ)充。所以有了一個(gè)雙電壓的方案。

按這個(gè)方向去優(yōu)化純電動(dòng)汽車的電驅(qū)系統(tǒng)，并給出一個(gè)可行的控制方案。這是本文的內(nèi)容。

圖1的雙逆變器異步（同步）電動(dòng)機(jī)控制原理是一種推拉式供電方式，有利于提高電機(jī)供電電壓。此外還有人提出過雙定子繞組，雙轉(zhuǎn)子電機(jī)等等。這些都是可以用來作為雙電壓系統(tǒng)的方式。但這些方式中，有且只有一種在一定工況下是最優(yōu)的。

因電能的使用方式千變?nèi)f化，條條道路通北京，目前作者也無法判斷哪一種電池+逆變器+電機(jī)是新能源汽車電控的最佳控制方式，只是利用所有時(shí)間去深入淺出學(xué)習(xí)這方面的知識(shí)。

我們設(shè)定一種工況，這種工況是以取代摩托車、電單車為目標(biāo)的小型2座、4座電動(dòng)車。以純電續(xù)航160公里電池（12~30度），最高車速60~120km車長2600~4000mm（寶駿e100，比亞迪e1、元，本田飛度等等，電機(jī)功率在30~70KW之間）。

我們在這里的工況下設(shè)計(jì)一種低成本的新能源車輛控制方案。稱為工況1電控方案。電控方案中，160公里電池組可以自由方便地?cái)U(kuò)展，有車載充電器停車即充。車主可以很方便地補(bǔ)能故不存在里程焦慮問題。

現(xiàn)在問題是如何將電機(jī)+電控+電池的工況1電控方案做到最佳！

圖 2 簡單48V電控主回路a）和控制回路b）示意圖

我們設(shè)定Ud/2為48V~60V。暫定額定值為50V

圖 3 工況1方案48V系統(tǒng)逆變器輸出電壓

根據(jù) 劉鳳君 著作《多電平逆變技術(shù)及其應(yīng)用》課本。異步電機(jī)兩端的逆變器可以是三相兩電平SPWM逆變器，也可以是三相三電平或多電平逆變器。交流電機(jī)兩端的逆變器橋臂是可以對(duì)稱，也可以是非對(duì)稱的，每一相繞組逆變器兩端直流電壓可以是相等，也可以不相等。

這樣的技術(shù)原理給電動(dòng)車電控設(shè)計(jì)帶來了極大的方便。

為了最簡單易于理解，我們設(shè)定4個(gè)電池組供電都是額定電壓50V直流。逆變器是三電平三相逆變器。

在這樣的設(shè)計(jì)下主回路如下圖

圖 4 三電平雙逆變器異步電機(jī)開繞組主回路圖示

在圖4中50V額定電池電壓，加在電機(jī)的線電壓峰谷差是200V,故電機(jī)線電壓有效值約為141V。在工況1電控方案中。70KW最高電機(jī)線電流在300A以內(nèi)。這是較經(jīng)濟(jì)的電機(jī)電流。

也就是說，工況1電控方案中可是是單軸驅(qū)動(dòng)的70KW峰值功率的最佳方案。

如果使用兩軸四驅(qū)可以滿足絕大多數(shù)乘用車的工況動(dòng)力需求。

學(xué)習(xí)后記：

以上內(nèi)容只是大學(xué)課本的知識(shí)點(diǎn)記錄，這種成熟的技術(shù)主要利用于大功率高電壓變頻電機(jī)的控制。而實(shí)際上汽車上應(yīng)用這樣的設(shè)計(jì)效果更佳。

但為什么沒有市面上的電動(dòng)車采用這樣的方案，成本這樣的方案并不高。100V耐壓數(shù)十安的IGBT成本在百元以內(nèi)，數(shù)百安成本也在300元以內(nèi)。車規(guī)級(jí)的電子元器件再貴，雙電壓雙逆變器異步電機(jī)開繞組電驅(qū)成本也會(huì)在5000左右。

由于工況1電控方案采用了50V電池組可擴(kuò)展，車載電池組只有160公里。如果出行需要更多里程。車主可以手工搬運(yùn)50V電池組。20度~40度電容量，200wh/kg。重量在100~200公斤。跟長途出行時(shí)搬運(yùn)的行李相當(dāng)。當(dāng)車載電池組續(xù)航達(dá)360公里時(shí)絕大多數(shù)出現(xiàn)不需要增加電池組。而中途電量不足可以到專門換電站或電，其便利性跟加油相當(dāng)。也就是說車主購買車輛上電池只有160~360公里續(xù)航，并且沒有里程焦慮的問題。

綜上，工況1電控方案是目前學(xué)習(xí)到知識(shí)中，較優(yōu)的方案。優(yōu)勢在于電控成本低，控制質(zhì)量好，技術(shù)成熟。作為一個(gè)雙電壓系統(tǒng)，48V換電來說，如何優(yōu)先消耗其中一個(gè)電池的控制方式還需更新。利用多級(jí)串并聯(lián)2H電橋。優(yōu)先將其中一組電池電量用完。并能夠?qū)崿F(xiàn)電控自動(dòng)投切電池組。即以50Vx4的電池100A輸出，即20KW為一個(gè)模組并聯(lián)?；蛘吣惴菍?duì)稱繞組兩端電壓提高電機(jī)功率，優(yōu)先消耗電量較少，電壓較低的電池組。20KW一個(gè)模組并聯(lián)實(shí)現(xiàn)成本，即電池BMS也更好設(shè)計(jì)一些。

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