郭曉穎，劉德超，馬志國

(北京中紡銳力機電有限公司，北京 101102)

0 引 言

隨著全球汽車產(chǎn)量及保有量的不斷增長，石油消耗的激增、環(huán)境污染日益嚴重等問題也越來越明顯。純電動汽車以其無污染、零排放等顯著特點走進汽車工業(yè)舞臺，并將成為汽車工業(yè)的新趨勢。

純電動轎車因其自身車型、工況等特點，對電機驅(qū)動系統(tǒng)提出了一些要求，主要包括:

(1)電驅(qū)系統(tǒng)的功率密度要高。純電動轎車車型緊湊，對電機驅(qū)動系統(tǒng)的尺寸要求比較苛刻，另外，電驅(qū)系統(tǒng)的自重對汽車的續(xù)航里程也有一定影響。

(2)電驅(qū)系統(tǒng)在寬轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)效率要高。純電動轎車一般無變速箱，而是采用一級減速器來驅(qū)動車輪，這就要求在電機的整個調(diào)速范圍內(nèi)的效率都要比較高，否則會影響整車的續(xù)航里程。

(3)低速出力要求比較高。純電動轎車的爬坡能力要求比較苛刻，最高要求30%，這對電機峰值扭矩的輸出能力提出了比較高的要求。

本文針對一款純電動轎車的電驅(qū)系統(tǒng)主要技術指標進行開關磁阻電動機(以下簡稱SRM)驅(qū)動系統(tǒng)的設計，通過SRM、控制器的優(yōu)化設計，使開關磁阻電動機驅(qū)動系統(tǒng)滿足純電動轎車應用要求。

純電動轎車電驅(qū)系統(tǒng)主要技術指標要求如表1所示。

表1 純電動轎車電驅(qū)系統(tǒng)主要技術指標

1 電機設計

1.1 電磁優(yōu)化設計

SRM遵循磁通總是沿著磁阻最小路徑閉合的磁阻最小原理，采用凸極定子和凸極轉(zhuǎn)子的雙凸極結構，由磁場扭曲產(chǎn)生切向拉力，運行時磁路非線性嚴重。因此SRM設計方法復雜，設計難度大。本文通過前期分析計算，初步確定轉(zhuǎn)子鐵心長度、定轉(zhuǎn)子外徑、定轉(zhuǎn)子間氣隙等主要參數(shù)，再通過有限元分析軟件仿真設計，優(yōu)化上述主要參數(shù)，且進一步設計出極弧極寬、軛高等參數(shù)。

純電動轎車對SRM效率要求高，所以盡量降低SRM的損耗，主要包括銅耗、鐵耗、機械損耗和雜散損耗。在繞組電流確定情況下，銅耗正比于繞組阻值。通過增加繞線空間和導線截面積，降低繞組阻值的方法，可有效降低銅耗。鐵耗分為渦流損耗和磁滯損耗，計算方法復雜。通過采用有限元分析軟件仿真鐵心動態(tài)磁場，優(yōu)選硅鋼片和優(yōu)化參數(shù)，可有效降低鐵損。通過優(yōu)化加工和制造工藝，選用高質(zhì)量軸承和潤滑油，可有效降低機械損耗和雜散損耗。

1.2 電機結構優(yōu)化

(1)位置傳感器內(nèi)置:為滿足轎車苛刻安裝尺寸及提高電機功率密度，進一步優(yōu)化電機外形，將位置傳感器置于電機內(nèi)部。位置傳感器是檢測電機位置、速度并將其反饋回控制器的一套裝置，包括碼盤和光電板。如圖1所示。將碼盤安放至轉(zhuǎn)子與軸承之間的電機軸上，光電板安放至電機后端蓋的內(nèi)側，充分利用了電機外殼、轉(zhuǎn)子以及端蓋三者之間的空間，避免了在電機端蓋外側安裝位置傳感器所增加的電機尺寸和為保護位置傳感器所需的傳感器罩而增加的重量，滿足轎車苛刻的尺寸要求以及提高了電機的功率密度。

圖1 SRM結構圖

(2)電機外殼材質(zhì):電機外殼及端蓋使用鋁合金，以降低電機重量，提高功率密度。

通過上述電機電磁優(yōu)化設計、電機結構優(yōu)化，提高了電機的效率，降低了電機的尺寸、重量。電機功率密度達到2.4 kW/kg，滿足技術指標要求。

2 控制器設計

SRM控制器主要包括功率電路和控制電路，其中功率電路又包括功率器件及驅(qū)動電路。功率電路是SRM運轉(zhuǎn)所需電流的流通路徑，其器件的選型直接影響控制器的效率及功率密度。本文通過對功率電路中器件的合理選型，優(yōu)化設計，降低控制器尺寸，減少控制器重量，提高控制器效率、功率密度，以滿足純電動轎車技術指標。

本SRM控制器常用的三相不對稱半橋型主功率電路拓撲結構，每相包括兩個IGBT、兩個續(xù)流二極管，如圖2所示。

圖2 雙開關型主電路拓撲

控制器的損耗主要是電路中IGBT的損耗，包括IGBT的導通損耗和開關損耗。本文系統(tǒng)所選模塊采用新一代IGBT芯片，在導通損耗和開關損耗兩方面均較早期模塊損耗有顯著降低，提高了控制器的效率。

要提高控制器的功率密度，首要解決的是降低控制器本身的體積、重量，本系統(tǒng)通過對以下幾個功率電路中主要器件的合理選型，大大降低了控制器的尺寸及重量，提高控制器的功率密度。

(1)優(yōu)化疊層母排，將直流母線上的雜散電感降到最低，減小IGBT在關斷時產(chǎn)生的尖峰電壓，從而選用更低電壓等級的母線電容，在不減少容量的情況下減小電容的尺寸重量。

(2)電流傳感器分為開環(huán)(霍爾原理)和閉環(huán)(磁平衡)兩類，閉環(huán)電流傳感器因檢測原理不同使得其體積、重量比開環(huán)電流傳感器大，但其抗干擾能力較強。本系統(tǒng)使用霍爾原理的開環(huán)器件，最小化電流傳感器的尺寸、重量，通過信號線的雙絞、屏蔽等手段，增強抗干擾能力。

(3)電路中的功率電阻選用TT公司最新的片狀功率電阻，其尺寸、重量比傳統(tǒng)鋁殼電阻大大降低。

另外，控制器采用液體冷卻，縮小了散熱板的尺寸;散熱板采用全鋁材質(zhì)，減小了散熱板的重量。

通過上述器件的合理選型、冷卻模式的選擇、散熱板材質(zhì)的優(yōu)化，控制器的尺寸、重量大為降低，功率密度達到4.6 kW/kg，滿足整車要求技術指標。

3 控制策略

控制參數(shù)豐富、控制靈活是SRM一大特點。根據(jù)控制參數(shù)的不同，SRM控制策略主要包括電流斬波、電壓斬波和單脈沖控制三種，分別通過控制繞組電流、繞組電壓、開通角和關斷角等參數(shù)來進行電機的調(diào)速。

應用于轎車驅(qū)動系統(tǒng)時，根據(jù)轎車的負載特點及性能需求，可以運用上述三種控制策略的組合來達到要求。

(1)起步、爬坡時，車速較低，風阻可以忽略，整車負載可近似恒定，此時使用電流斬波控制可提供平穩(wěn)轉(zhuǎn)矩，避免車輛產(chǎn)生抖動。

(2)起步后的中低速階段，使用電壓斬波控制方式，避免應用電流斬波控制的低效率以及單脈沖控制的較大轉(zhuǎn)矩脈動，兼顧電機系統(tǒng)的出力、效率、噪聲。

(3)高速階段，單脈沖控制的轉(zhuǎn)矩脈動大為減輕，且此時采用單脈沖控制，電機的效率更高。

控制方式切換時，要特別注意參數(shù)的對應關系以及控制方式切換點回差設置，避免因較大的轉(zhuǎn)矩不連續(xù)和頻繁的控制方式切換而造成的整車抖動。

4 實驗及試車效果

4.1 實驗研究

使用測功機對本系統(tǒng)進行測試，該電機額定轉(zhuǎn)速3000 r/min，最高轉(zhuǎn)速9000 r/min，峰值輸出功率60 kW，峰值輸出扭矩190 N·m。測試并計算各轉(zhuǎn)速點和轉(zhuǎn)矩點的輸入、輸出功率，繪制效率MAP圖，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)效率MAP圖

本系統(tǒng)最高效率94.1%，高效區(qū)(效率大于80%的區(qū)域)78.16%，滿足整車要求技術指標。

4.2 試車效果

(1)起步:整車轉(zhuǎn)速給定起步，在油門踏板未被踩下前怠速運行。在怠速以下整車采用電流斬波控制，轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)，起步平穩(wěn)。

(2)行駛平穩(wěn)性:各個車速段整車行駛平穩(wěn);SRM控制方式切換快速、平穩(wěn)，無抖動現(xiàn)象。

(3)爬坡能力:在30%斜坡進行坡起試驗，正常起步并通過坡道。

(4)加速能力:試車獲得數(shù)據(jù)為0～50 km/h加速時間 ＜6 s，50～80 km/h加速時間 ＜6 s。

5 結 語

本文通過優(yōu)化SRM的電磁設計、結構設計，合適的器件選型設計控制器以及三種控制方式的靈活應用，使SRM電驅(qū)系統(tǒng)達到了純電動轎車的技術指標要求。

裝車測試進一步驗證了該系統(tǒng)的性能完全適合純電動轎車使用。與目前主流的永磁同步電驅(qū)系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)在效率、功率密度等方面已與其相近，在成本、可靠性方面優(yōu)于永磁同步系統(tǒng)。在純電動汽車成為汽車工業(yè)新趨勢的今天，SRM電驅(qū)系統(tǒng)將會是純電動汽車電驅(qū)系統(tǒng)強有力的競爭者。

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