基本信息
- 项目名称：
- 交流电动车变频驱动及显示系统
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 信息技术
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 作品简介： 本作品由交流电动车变频驱动和显示部分组成。交流电动车变频驱动系统采用基于DSP的优化矢量变频控制技术，具有输出功率大、系统可靠性高等优点。显示部分采用嵌入式技术，可显示交流电动车各项信息参数，并具有多媒体娱乐功能。在倡导生态文明建设的今天，该作品进行产业化推广后，将具有良好的经济效益和社会意义。 比较国内同类产品，本作品在以下三个方面处于领先地位： ①基于DSP的交流矢量变频控制技术，实现电池监测、下坡刹车能量回馈、上坡起动转矩提升等功能。 ②建立车载故障诊断系统，对运行参数实时监控，并传递给数字化仪表显示。 ③基于WinCE嵌入式编程技术，实现智能化仪表显示、GPS导航及多媒体娱乐功能。
- 详细介绍：
- 交流变频控制系统的核心处理器是美国TI公司DSP2000系列芯片TMS320F2407A。每路PWM信号经缓冲器转换后通过12路专用独立隔离驱动光耦智能隔离驱动芯片（HP316J）（进行IGBT过压、过流等保护）控制IGBT模块。控制系统采用多路输出开关电源供电,具有体积小可靠性高等优点，同时对不同模块单独供电大大提高了控制系统运行的稳定性。 为优化异步交流电动机的半坡启动及爬坡性能（转速较低时，电机工作电流较大；电流波形毛刺较多、对称度和正弦度都不好），优化矢量变频控制算法，根据电机转速（在半坡状态下需设定电机反转条件）进行强励磁状态控制，当电动车车速达到油门设定值时，平滑自动切换至弱磁控制状态，以提升转速性能并节省电能。 在半坡启动过程中，由于重力作用电动车会出现倒滑情况，控制器会根据速度及油门、刹车状态反馈判断行驶状态，在变频控制算法中增大给定力矩初值，并通过电流、电压和转速计算实际反向启动力矩的大小，以电机强励磁方式恢复正转状态，保证以最短的时间实现半坡启动、不倒滑。 电动车在下坡行驶过程中，若驾驶员给出刹车信号，此时控制器开始通过转速、电流、电压判断车辆行驶状态：若系统给定的力矩绝对值小于当前实际输出力矩，控制器将根据电机转速给定相应负转矩（倒车转矩），实现刹车辅助制动功能。 电动车在刹车及下坡状态下，系统以部分牺牲乘坐舒适性为代价，可以实现电机能量回馈功能。在下坡运行或刹车情况下，通过比较给定的力矩与当前实际输出力矩的大小，判断系统是否进入能量回馈状态。当系统进入回馈状态时，电动机由电动状态进入发电状态（此时电动车会出现短暂明显抖动和降速情况），电机通过转速建立三相交流电动势，通过控制器输出的PWM信号整定为直流电压，通过与蓄电池的电势差，蓄电池处于间断充电状态即实现能量回馈。（回馈效果有待团队后期实验及分析优化） 电池监测功能是对蓄电池放电过程实时全程动态监测，以防止蓄电池因过度放电而降低使用寿命；通过蓄电池电压状态和放电曲线分析估计该车续时里程；同时根据蓄电池放电深度的不同对能量回馈状态下的充电条件进行不同程度的设定和安排。 智能化仪表以SC2440嵌入式系统为核心，通过凌阳语音信息采集系统和SC2440状态输出提示音，实现语音交互功能；GPS接收模块集GPS接收与蓝牙传输于一体，与蓝牙接收端进行无线传输，实现导航功能；仪表实时显示蓄电池监测模块反馈的信息（电压、电流、续时里程、母线过压情况、母线过流情况），同时还可以显示散热片温度、里程、电机转速等信息。此外，数字化仪表还具有多媒体娱乐功能，可通过触摸屏操作，具有良好的人机交互界面。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 目的与意义： 随着电力电子技术的发展，大功率交流变频电动汽车将是国际电动车发展的主要方向，电动汽车在未来的城市交通中将占有越来越重要的地位。本系统进行市场化推广后，将会有效提高电动汽车的电池利用效率，改善电动汽车的机动性能，同时符合国家关于建设节约型社会的要求。 基本思路： 交流电动车驱动控制系统采用改进型矢量变频控制技术，实现对电机的控制，同时控制器对各项性能参数进行实时采集并传递给数字化仪表进行显示。 创新点： 1）基于优化矢量控制算法的电动汽车驱动控制技术，实现上坡转矩提升、下坡辅助制动的控制功能。 2）基于DSP变频控制技术，实现交流电动车刹车能量回馈及电池监测功能。 3）基于WinCE操作系统的电动汽车多媒体娱功能乐及语音识别操作。 技术关键： 1）基于优化矢量变频算法的电动汽车驱动控制。 2）交流电动汽车刹车能量回馈及电池监测。 3）嵌入式环境下电动汽车多媒体娱功能乐及语音识别操作的实现。 4)交流电动汽车整车嵌入式系统集成及参数监控。 主要技术指标： 使用6KW系列交流变频控制器，峰值电流可达260A，可在-15℃-60℃环境下正常工作，在风冷方式下系统效率可达95%。
科学性、先进性
- 技术进步性： 目前我国交流电动汽车多采用SPWM控制技术[1]。然而，该技术存在低速性能不理想，半坡启动不稳定等缺点。 变频驱动器通过DSP嵌入式微处理器实现对交流电机的驱动控制[2]，对电池供电情况、电机转速、散热器温度等各项性能参数进行实时监控，并传递给数字化仪表进行显示[3]，该数字化仪表可实现触摸屏操作和基于特定人的语音操作，拥有良好的人机交互界面；同时提出优化矢量控制算法，可实现刹车能量回馈、上坡转矩提升、下坡辅助制动等功能。此套系统具有输出功率大、系统可靠性高等优点。 参考文献： [1] 李华德，白晶，李志民等.交流调速控制系统[M].北京：电子工业出版社，2003 [2] 王晓明，王玲.电动机的DSP控制—TI公司DSP应用.北京：北京航空航天大学出版[M].2005：100-101 [3] 蓝天，廖承林，王丽芳.基于虚拟仪器的电动汽车数字化仪表系统设计[J].电测与仪表,2008, 45(505)：50
获奖情况及鉴定结果
- 本作品于2009年6月在“湖北省第七届‘挑战杯青春在WO’大学生课外学术科技作品竞赛”中获得特等奖。 “湖北省第七届‘挑战杯青春在WO’大学生课外学术科技作品竞赛”由共青团湖北省委、湖北省科学技术协会、湖北省教育厅、湖北省学生联合会共同举办。
作品所处阶段
- 完成中试准备生产
技术转让方式
作品可展示的形式
- 实物 现场演示 图片 录像 样品
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 交流电动车变频驱动系统可作为各种纯电动汽车或混合动力汽车的电控驱动与监测统一平台。通过变频控制系统监测电动车各项信息参数并将其显示在数字化仪表上，变频驱动系统中采用的优化矢量控制算法实现上坡转矩提升，下坡辅助制动等功能，建立了电池管理技术来计算剩余电量并实现电池均衡放电及能量回馈功能。 大功率交流变频电动车是目前国际电动车发展的主要方向。据调查，美国太阳电公司生产的13KW变频控制器售价约9500美元，据武汉拓普卡电动车有限公司统计，本产品批量生产材料成本约3200元（￥）/套，综合生产过程其他费用，本作品造价远远低于国内外同等产品。交流电动车与1.0L排量汽车相比，百公里行驶成本节省30.2%。推广本作品将在一定程度上推动我国交流电动车行业发展，进一步缩小我国与世界先进技术的差距。
同类课题研究水平概述
- 国内外同类课题研究情况： 目前国外电动汽车电机驱动系统已由电力电子逆变器向IGBT集成模块转变，传感器也向集成智能传感器转变。在电机的控制技术方面，直接转矩控制方案经过近二十年的发展，各方面性能都在不断提高，并己进入到实用阶段，国外目前己成功应用于大功率高速电力机车、地铁和城市有轨电车等主传动系统中。其中穿越英吉利海峡的高速列车采用的就是直接转矩控制系统。德国和日本在这方面的研究居于领先地位。但是直接转矩控制作为一种诞生不久的新理论、新技术，又有其不完善、不成熟之处，有些问题甚至成为它发展难以逾越的障碍，因此直接转矩控制技术成为当今科技先进国家交流调速控制技术研究的重点。 与国外相比国内起步较晚，基于DSP的控制技术尚不够成熟，有待提高。目前研究的主流方向仍是基于空间矢量概念的空间电压矢量PWM技术（SVPWM）。该技术考虑利用电压矢量合成期望电压矢量值去控制电机，结构简单、特别适合数字化实现。IGBT集成模块开关频率高、效率高，与常规的SPWM比较，在减少电机电流谐波损耗、提高母线电压利用率上具有明显的优势。 与电机控制技术相比，能量管理技术还不是很成熟,监控电池的充放电状态，最大限度地保证电池正常可靠的运行，延长电池使用寿命，是国内外很多学者正在研究的方向。同时在能量管理系统中数据采集模块的可靠性、剩余能量估算模块的精度、安全管理模块等方面有待进一步提高。 目前有不少电动汽车已投入使用。如：美国通用汽车公司开发的EVI电动轿车，克莱斯勒公司开发的EPic电动旅行车；日本本田公司的EVPlSu轿车，日产(北美)公司开发的Altar6座电动旅行车；德国宝马公司的BMWEl新型电动汽车；远望工业公司开发的远望YW6-1Zonn电动公共汽车。在我国，电动汽车研究己经列入国家“十五”863计划，成为重点项目。此外，在国外已有越来越多的电动汽车采用性能先进的电动轮（又称轮毂电机），它采用电机直接驱动车轮，因此无传统汽车的变速箱、传动轴、驱动桥等复杂的机械传动部件，汽车结构大大简化。
