付 翔，王紅雷，龍成冰，楊 寧，黃 斌，楊 奎，張振闖

(1.武漢理工大學(xué) 汽車工程學(xué)院,湖北 武漢 430070；2.神龍汽車有限公司 市場部,湖北 武漢 430056)

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電機控制器限流對車輛匹配影響的試驗研究

付 翔1，王紅雷1，龍成冰1，楊 寧2，黃 斌1，楊 奎1，張振闖1

(1.武漢理工大學(xué) 汽車工程學(xué)院,湖北 武漢 430070；2.神龍汽車有限公司 市場部,湖北 武漢 430056)

結(jié)合電機控制理論，從理論上分析電機控制器限流對電機性能的影響，發(fā)現(xiàn)采用矢量控制的電機控制器限流時，可以改變電機的輸出外特性。設(shè)計并搭建試驗臺架，對比分析電機控制器限流前后電機的輸出外特性。結(jié)果表明，限流使得電機的最大輸出扭矩變小，額定轉(zhuǎn)速向后偏移。因此，電機控制器限流降低了電動汽車的動力性，提高了電動汽車的經(jīng)濟性。在對電動汽車系統(tǒng)進行匹配時，從限流的角度來說，將電機及電機控制器作為一個整體考慮能使車輛的動力系統(tǒng)匹配更加合理，滿足車輛動力性和經(jīng)濟性需求。

電動汽車;電機控制器;限流;匹配技術(shù);試驗研究

電機及電機控制器是電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)的核心部件之一。電動汽車驅(qū)動電機主要包括直流電機、感應(yīng)電機、永磁同步電機和開關(guān)磁阻電機4類[1]，而永磁同步電機因能量密度高、調(diào)速范圍廣、體積小，得到廣泛應(yīng)用和研究[2]。矢量控制實現(xiàn)了對磁場和轉(zhuǎn)矩的完全解耦，控制力矩穩(wěn)定，技術(shù)較為成熟，被廣泛應(yīng)用[3]。電機控制器對電機進行控制的同時，還進行過壓、過流和欠壓保護。電機控制器限流保護了動力電池、電機控制器和電機等設(shè)備，提高了電動車輛的安全性和使用壽命，同時也影響了驅(qū)動電機的輸出特性。文獻[4-6]在電動汽車匹配進行電機選擇時，未考慮電機控制器限流的影響。但在實際的車輛動力系統(tǒng)匹配工作時，不僅要考慮電機自身的特性，而且要考慮電機及電機控制器系統(tǒng)的特性,這樣才能更好地利用電機的性能。以永磁同步電機為研究對象，研究電機控制器限流保護對電機輸出特性的影響，提出將電機及電機控制器作為整體對電動汽車匹配技術(shù)有著重要的意義。

1 驅(qū)動系統(tǒng)電機控制器限流的理論分析

1.1 驅(qū)動系統(tǒng)電機控制器限流的影響分析

驅(qū)動電機性能除了取決于自身因素，還受到所匹配電機控制器的影響。電機控制器進行限流時，若限流值過小，則電機啟動困難、運轉(zhuǎn)慢、轉(zhuǎn)矩??；若限流值過大，則電機控制器在車輛起步、加速、爬坡時，輸出功率過大，失去限流保護的作用，易燒毀電器元件，且使得車輛能耗變高，續(xù)駛里程減少。因此，合理選擇電機控制器的限流值具有重要意義。

1.2 限流對驅(qū)動系統(tǒng)電機性能的影響

同步電機穩(wěn)定運行時，運行轉(zhuǎn)速與定子電頻率和極對數(shù)有關(guān)，與負載無關(guān)，為恒定常數(shù)[7]。對于永磁同步電機，在矢量控制方法下，電機的控制分為3個階段：最大轉(zhuǎn)矩電流比控制、普通弱磁控制、最大輸入功率弱磁控制[8]?；贑lark變換和Park變換，矢量控制方法下的轉(zhuǎn)矩Te為：

Te=P[ψfiq+(Ld-Lq)idiq]

(1)

式中：P為極對數(shù)；ψf為轉(zhuǎn)子永磁體磁鏈；iq為電機電流在交軸上的分量；id為電機電流在直軸上的分量；Ld為直軸繞組等效電感；Lq為交軸繞組等效電感。

在恒轉(zhuǎn)矩控制階段，常用最大轉(zhuǎn)矩電流比控制，即電機在給定轉(zhuǎn)矩下運行時，使控制電流最小。該方法所得直交軸的電流為：

(2)

式中,is為旋轉(zhuǎn)坐標系下的電樞電流值。

結(jié)合式(1)和式(2)可知，只需控制id和iq保持恒定，就能使得電機輸出轉(zhuǎn)矩Te恒定。

在恒轉(zhuǎn)矩控制過程中，電樞繞組的反電動勢隨著電機轉(zhuǎn)速的升高而升高，當與電機的極限電壓ulim相等時，電機達到該控制方式下的最高轉(zhuǎn)速，即拐點轉(zhuǎn)速，用電角速度ωb表示。電機在恒轉(zhuǎn)矩控制過程中，轉(zhuǎn)矩不變，功率線性增加并在拐點處轉(zhuǎn)速達到最大。

當電機轉(zhuǎn)速達到恒轉(zhuǎn)矩下的最大轉(zhuǎn)速時，要提高轉(zhuǎn)速必須進行弱磁。永磁同步電機的弱磁控制通過增加定子電流的去磁電流分量來實現(xiàn)弱磁升速[9]。當ψf>Ldis時，有：

(3)

當ψf≤Ldis時，有：

(4)

當ψf

結(jié)合式(1)、式(3)和式(4)可得，當電機的轉(zhuǎn)速超過拐點轉(zhuǎn)速后，只需求出相應(yīng)轉(zhuǎn)速下的id和iq，即可得到相應(yīng)的輸出轉(zhuǎn)矩。對于電機系統(tǒng)，忽略粘性摩擦和扭轉(zhuǎn)彈性，則電機的驅(qū)動機械方程為：

(5)

式中：TL為負載轉(zhuǎn)矩；J為轉(zhuǎn)動慣量；ω為電機角速度。

由式(5)可知，電機系統(tǒng)通過外界負載扭矩實現(xiàn)轉(zhuǎn)速與扭矩的耦合和平衡。電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩控制均通過對id和iq電流的控制來實現(xiàn)，電機控制器本質(zhì)上是一個電流控制系統(tǒng)。在永磁同步電機中，經(jīng)過反Clark變換和反Park變換，控制id和iq電流實際是控制定子的三相電流。

電機高速旋轉(zhuǎn)時，電壓方程中由電阻引起的壓降很小，可以忽略不計[10]，電機的直交軸電壓方程為：

(6)

式中：ud為電機電壓在直軸上的分量；uq為電機電壓在交軸上的分量。受電機控制器電壓的限制，電機電壓幅值us滿足：

(7)

(8)

式中,uDC為電機控制器母線電壓。

聯(lián)立式(6)～式(8)可以得到：

(Lqiq)2+(Ldid+ψf)2≤(uDC/ω)2/3

(9)

(10)

由式(9)和式(10)可得電機的角速度ω及其極限值方程：

(11)

(12)

電機電流同樣受到電機控制器的限制，電機穩(wěn)定運行時，若電機控制器最大限流為Ilim，則：

(13)

由式(7)～式(13)可知，當電機穩(wěn)定運行時，電壓值由id和iq決定。而極限狀態(tài)下的us、ω、id和iq受到Ilim、uDC及控制方法的限制。

當電機處于恒轉(zhuǎn)矩控制階段時，要求輸出轉(zhuǎn)矩恒定，id和iq受到式(13)的限制；當uDC一定時，最高電角速度ωb受到式(12)的限制。當電機控制器限流時，使得Ilim減小，從而減小了式(2)計算所得的極限id和iq；由式(1)可知電機的最大輸出轉(zhuǎn)矩變?。挥墒?11)可知相同電機轉(zhuǎn)速下，電機的輸出最大電壓變小；由式(12)可知電機的拐點轉(zhuǎn)速變大，即向后偏移。

當電機處于普通弱磁控制階段時，極限電壓由恒轉(zhuǎn)矩控制下的可調(diào)極限電壓決定，為恒定值，此時求得的id和iq為最大值。當轉(zhuǎn)速超過極限轉(zhuǎn)速后，隨著轉(zhuǎn)速的增大，式(3)和式(4)所得的id和iq均減小，但其值均滿足式(13)，即普通弱磁控制下，改變電機控制器的限流值并不會改變電機的輸出特性。在此控制階段，電機的三相電流隨著轉(zhuǎn)速的增大而不斷減小，三相電壓保持最大值。

圖1 某款永磁同步電機實測外特性機械性能

圖2 某款永磁同步電機實測外特性電參數(shù)變化曲線

經(jīng)過上述分析可知，電機的額定轉(zhuǎn)速實際為恒轉(zhuǎn)矩控制下的極限轉(zhuǎn)速；電機的最高轉(zhuǎn)速實際為普通弱磁控制下的極限轉(zhuǎn)速，同時受到電機控制器可調(diào)頻率范圍、電機控制器及電機元器件的耐高溫條件的限制；電機控制器的輸入直流電壓影響電機的輸出外特性；電機控制器限流時，限流值越小，電機的最大轉(zhuǎn)矩越小，額定轉(zhuǎn)速向后偏移越大。采用矢量控制的永磁同步電機的外特性下的輸出電流、電壓、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和功率呈現(xiàn)如圖1和圖2所示的關(guān)系。

2 電機控制器限流對電機影響的臺架驗證

2.1 試驗臺架搭建

電動汽車所選配的驅(qū)動系統(tǒng)在裝車之前需進行性能測試，基于電驅(qū)動式自動變速器[11]搭建測試臺架，測試電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)性能。測試臺架主要包括測試系統(tǒng)、被測試系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及其他附件,如圖3所示。

圖3 測試臺架系統(tǒng)構(gòu)成

由上述分析可知，電機控制器的限流值主要影響電機的輸出外特性，在電機控制器限流值分別為600 A和500 A下進行電機的對比試驗，所測試電機及電機控制器的參數(shù)如表1和表2所示。

表1 所選永磁同步電機參數(shù)

表2 所選電機控制器參數(shù)

2.2 試驗結(jié)果與分析

在電機控制器限流值分別為600 A和500 A下，試驗測得電機外特性對比如圖4所示，效率對比如圖5所示。

圖4 不同限流值下電機外特性輸出曲線

圖5 不同限流值下效率對比

由圖4可知，電機控制器的限流值越小，其額定轉(zhuǎn)速前的輸出峰值扭矩越小，額定轉(zhuǎn)速越向后偏移；當超過額定轉(zhuǎn)速時，電機控制器的限流值不改變電機的輸出轉(zhuǎn)矩、功率和極限運行轉(zhuǎn)速。

由圖5可知，電機控制器的限流值不改變電機控制器的運行效率，但電機的運行效率隨著限流值的增大而減小，同時由于額定轉(zhuǎn)速的改變，使得電機的最佳效率點也有所變化。因此，電機控制器限流同樣影響著電機及電機控制器系統(tǒng)的整體效率。不同限流值下的電機峰值特性對比如表3所示。

表3 不同限流值下的參數(shù)值對比

3 電動汽車匹配技術(shù)研究

3.1 現(xiàn)有電動汽車匹配方法

車輛在進行匹配計算時，先根據(jù)動力性指標選擇所需匹配的驅(qū)動系統(tǒng)，再根據(jù)所選驅(qū)動系統(tǒng)進行經(jīng)濟性核算。在動力性匹配計算中，最高車速、加速性能和爬坡性能是最重要的3個動力性指標，其中最高車速決定驅(qū)動系統(tǒng)的最高轉(zhuǎn)速和最大輸出功率，加速性能決定驅(qū)動系統(tǒng)的最大輸出功率，爬坡性能決定驅(qū)動系統(tǒng)的最大輸出轉(zhuǎn)矩。在確定動力系統(tǒng)各個參數(shù)之后，再根據(jù)相應(yīng)的循環(huán)工況進行經(jīng)濟性核算[12]。對于電動汽車，電機在超調(diào)狀態(tài)下輸出最大轉(zhuǎn)矩，但只能維持一定時長，不能持續(xù)輸出[13]。由于電機與發(fā)動機在該性能上的差異，使得電動汽車在進行匹配計算時需考核更多的參數(shù)，如最高巡航車速、經(jīng)濟運行車速和續(xù)駛里程等。

現(xiàn)今電動汽車的匹配技術(shù)中，一般先依據(jù)動力性指標確定電機，再依據(jù)所選電機匹配電機控制器，然后依據(jù)車輛的運行工況和續(xù)駛里程要求來匹配動力電池，最后依據(jù)所選的各個部件的參數(shù)對車輛的動力性指標和經(jīng)濟性指標進行核定。顯然，在該匹配技術(shù)中，電機的選擇具有重要意義，電機對電機控制器、動力電池等存在影響，但若忽略電機控制器或動力電池對電機的影響，會使整個車輛的匹配過程存在一定的不合理之處。

3.2 電機控制器限流對車輛匹配技術(shù)的影響分析

電機控制器的限流使得電機的輸出外特性發(fā)生了改變，從而在對車輛進行匹配時會對整車的性能指標產(chǎn)生影響，如圖6所示。

圖6 不同限流值對車輛匹配性能影響

由圖6可知，車輛的最高車速umax處于電機最高轉(zhuǎn)速附近(額定轉(zhuǎn)速之后)，故限流對umax無影響；限流值越小，最大輸出驅(qū)動力越小，使得整車的爬坡性能降低。在電動汽車中，最高巡航車速指車輛能夠持續(xù)穩(wěn)定運行的最高車速，一般采用電機額定轉(zhuǎn)速略向后轉(zhuǎn)速下對應(yīng)的車速估算，此時電機輸出功率約為額定功率，可采用圖6中的u1、u2進行比較。經(jīng)濟運行車速一般采用電機額定轉(zhuǎn)速下略向前的轉(zhuǎn)速對應(yīng)的車速估算，略小于最高巡航車速。再結(jié)合圖5可知，電機控制器的限流改變了電機的額定轉(zhuǎn)速和效率，最高巡航車速和經(jīng)濟運行點，使得匹配的車輛運行在相同車速下，對應(yīng)的電機運行在相同的狀態(tài)下，限流值越小，整車的經(jīng)濟性越好。

4 結(jié)論

以永磁同步電機的矢量控制為例，從理論上得出電機控制器限流值越小，電機的最大輸出轉(zhuǎn)矩越小，額定轉(zhuǎn)速向后偏移越大，但對電機額定轉(zhuǎn)速后的輸出特性無影響的結(jié)論；并對永磁同步電機及電機控制器進行不同限流值的試驗驗證，試驗結(jié)果與理論分析所得結(jié)論相同，結(jié)果表明電機控制器不同的限流值會使電機的峰值性能、高效工作區(qū)間與拐點產(chǎn)生變化，因此應(yīng)將電機及電機控制器作為整體對電動汽車進行匹配，才能更好地滿足整車的動力性和經(jīng)濟性要求。在車輛實際運行中，動力電池電壓波動同樣影響電機的輸出特性，在電動汽車的匹配技術(shù)中也應(yīng)考慮其影響。

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FU Xiang:Assoc. Prof. ; School of Automotive Engineering, WUT, Wuhan 430070, China.

[編輯：王志全]

Experimental Study on Influences of Motor Controller Current-limiting on Electric Vehicle Matching

FUXiang,WANGHonglei,LONGChengbing,YANGNing,HUANGBin,YANGKui,ZHANGZhenchuang

The Influences of motor controller current-limiting on the performance of motors were theoretically analyzed combined with motor control theories. It was found that the motor output characteristic can be changed when the vector control method was used to limit current of motor controller. A test bench was designed and built to achieve the comparative analysis of the motor output characteristics before and after limiting current of the motor controller. The results show that current- limiting decreased the maximum output torque of the motor and shifted rated speed backwards. Therefore, limiting current of motor controller decreases the electric vehicle power performance and changes the economic operation point of electric vehicles. From the perspective of current-limiting, the paper shows that motors as well as motor controllers should be considered as a whole to make the vehicle power train matching more reasonably and meet the demands of vehicles power performance and fuel economy when matching power system of electric vehicles.

electric vehicle; motor controller; current-limiting; matching technology; experimental investigations

2015-03-17.

付翔(1973-),女,湖北隨州人,武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院副教授;博士.

中央高校大學(xué)生自主創(chuàng)新資金資助項目(2014-II-004)；武漢市科學(xué)技術(shù)局科研基金資助項目(2013011801010596).

2095-3852(2015)06-0671-04

A

U469.72

10.3963/j.issn.2095-3852.2015.06.002