何鵬林 黃 炘 蔡志濤 孫守富 石昊天

（中國汽車技術研究中心，天津 300300）

電動汽車具有“低能耗”、“低污染”甚至“零污染”的優(yōu)勢，是應對當前能源、環(huán)境以及交通壓力的有效途徑，因此被廣泛認為是未來汽車發(fā)展的重要趨勢。驅動電動機是電動汽車能量轉換和動力輸出核心的部件，決定了車輛的動力性、穩(wěn)定性、安全性、經濟性以及用戶體驗等。永磁同步電動機（PMSM）以其高效率、高功率密度、高功率因數、低噪聲等優(yōu)點，成為目前電動汽車驅動電動機應用的主流。電動汽車在一定坡度路段起動、停靠或駕駛員出現拉手剎踩油門、以及車輪被卡死等工況下，驅動電動機輸出軸被抱死無法正常運轉而處于堵轉狀態(tài)，此時被認為是驅動電動機的堵轉工況，若處理不佳，則可能引發(fā)驅動電動機過熱燒毀失效等現象。堵轉工況是車輛常見工況之一，堵轉特性是驅動電動機性能考核指標之一。然而，當前對驅動電動機性能的研究多集中于其在正常運轉工況中的表現，對驅動電動機系統(tǒng)堵轉性能的研究較少，鑒于此，本文從驅動電動機堵轉性能出發(fā)，綜合研究實際運行環(huán)境溫度對其的影響，為后續(xù)驅動電動機系統(tǒng)綜合性能評價以及整車參數匹配等提供參考。

1 PMSM堵轉機理分析

1.1 PMSM堵轉時能量傳遞分析

當電動汽車驅動電動機處于堵轉工況時，由于電動機輸出軸被抱死無法轉動，輸出的機械功率為零，而此時車輛動力蓄電池仍在為電動機逆變器供電，輸入逆變器的直流電功率主要以發(fā)熱的形式消耗在電動機繞組中，因此會造成繞組溫度的急劇上升。圖1所示為堵轉工況時驅動電動機系統(tǒng)中的能量傳遞關系。其中，PINV為驅動電動機逆變器功率損耗，主要為 IGBT等功率模塊的開關損耗及導通損耗等，由于逆變器逆變效率一般較高，因此這部分功率損耗一般較小。PFe為定子鐵心中產生的渦流損耗以及磁滯損耗等鐵耗，這部分功率損耗一般也較小，基本可忽略。PCU為定子繞組上產生的熱損耗功率，是主要部分。

圖2所示為某電動機處于堵轉工況時，逆變器直流母線電壓、直流電流、電動機輸出轉矩、直流側功率以及電動機交流側功率值。由圖中不難看出，轉速為零，機械功率為零，約7.4kW的電動機輸入功率基本以發(fā)熱的形式消耗在定子繞組中。

圖1 堵轉工況時驅動電動機系統(tǒng)能量傳遞關系

圖2 某PMSM堵轉工況下轉矩及功率等參數

1.2 PMSM堵轉時電流及損耗分析

基于轉子磁鏈定向的矢量控制方式是目前PMSM驅動系統(tǒng)最常采用的控制方式之一，其控制方式與感應電動機類似，基本原理是將ABC三相靜置坐標系轉換為兩相 d-q旋轉坐標系，將定子繞組電流分解到以轉子磁場定向的轉子軸上，進而分解得到電動機的磁場電流和轉矩電流，并進行解耦控制，從而使PMSM具有與直流電動機類似的控制性能。相關的研究已經很多，這里不再贅述。

PMSM在正常工作時，三相定子電流矢量相位之間互差120°，三相電流如下式所示：

式中，I為三相定子電流幅值；θ為轉子位置，即定子電流矢量與參考軸（A相電流方向）之間的夾角。由此可見，正常工作時三相電流為對稱的正弦交流電流。當PMSM處于堵轉工況轉子被固定在某個位置時，轉子磁場位置也被固定，定子電流矢量也將被固定在對應的方向上，根據文獻[2]的分析，此時存在堵轉飽和效應，即永磁體轉子產生的磁場對各相磁路產生不均衡的影響，進而導致三相定子電流不再是正弦電流，而是直流電流，且電流穩(wěn)態(tài)幅值不相等。

圖3所示為某PMSM在某個位置堵轉時定子繞組電流分布。圖中不難看出，C相繞組電流幅值明顯高于A、B兩相，C相繞組發(fā)熱最嚴重，如果堵轉工況持續(xù)時間過長，C項繞組就可能將最先被燒毀。根據文獻[4]的分析，PMSM定子繞組端部是繞組發(fā)熱時溫度最高的部位，因此也是繞組溫升的薄弱環(huán)節(jié)，在電動機設計及控制保護時應特別關注此部位的溫升變化。

圖3 某PMSM堵轉工況下各相電流分布

根據文獻[5]的分析可知，此時定子銅耗中電流各階諧波引發(fā)的銅耗較少，基本可忽略，主要為基波損耗。

因此，PMSM堵轉時電動機總銅耗簡化為

其中，各相繞組銅耗簡化為

式中，AR、BR、CR分別為三相繞組電阻值。

根據以上公式，可計算驗證堵轉時某PMSM電動機輸入功率基本以發(fā)熱的形式消耗在了定子繞組中，使定子繞組溫度急劇上升。

2 堵轉試驗研究

2.1 試驗平臺

為了進行試驗研究，本文采用了一套最大功率為 175kW，最大扭矩為 400N·m，最高轉速為20000r/min的測功機系統(tǒng)，轉矩傳感器采用了高精度的HBM T12轉速轉矩傳感器，可實現對轉矩的精準采集。本套測功機系統(tǒng)能夠實現對轉子任意機械角度位置的鎖死控制器，保證了本文堵轉試驗的實現。另外，為了模擬PMSM所處不同環(huán)境溫度，本套測試系統(tǒng)配備了可實現?40℃～150℃不同溫度恒溫控制器的環(huán)境試驗倉。整個試驗平臺如圖4所示。

圖4 PMSM堵轉特性試驗系統(tǒng)

2.2 試驗方法

目前國內針對電動汽車驅動電動機堵轉試驗的方法及要求基本參考GB/T 18488.2—2015《電動汽車用驅動電動機系統(tǒng) 第2部分：試驗方法》，按照該規(guī)范的試驗步驟如下：

1）將電動機逆變器直流母線電壓設置為系統(tǒng)額定電壓。

2）使測試電動機系統(tǒng)處于室溫冷態(tài)，一般為（25±3）℃。

3）將電動機轉子堵住，通過逆變器向電動機施加相應的堵轉轉矩，測量并記錄堵轉轉矩值及持續(xù)時間。

4）改變轉子的機械角度位置，沿轉子圓周方向均勻選取5個堵轉測試點，即每隔72°機械角度選取一個測試點，重復步驟2）、3）。

5）將5次測試中的最小值作為該被測電動機的堵轉轉矩值。

為了進行PMSM堵轉特性試驗，本文采用了高精度轉矩傳感器以及采樣頻率高達 1000Hz的數據采集系統(tǒng)，同時采用濾波處理以消除試驗過程中的轉矩脈動，保證了數據的實時性與可靠性，為開展本文試驗研究提供了保障。

圖5所示為某PMSM在環(huán)境溫度25℃時的堵轉特性，每個機械角度下堵轉持續(xù)時間為15s。據圖可分析，在第1個堵轉位置時C相繞組堵轉；第2個堵轉位置時B相繞組堵轉；第3個堵轉位置時A相繞組堵轉；第4個堵轉位置時C相繞組堵轉；第5個堵轉位置時A相繞組堵轉。按照該標準的試驗方法，此時該 PMSM 的堵轉轉矩為 TK=min[277.9,276.8, 280.5, 278.8, 276.5]N·m=276.5N·m。同時，為了研究在該環(huán)境溫度下發(fā)生堵轉時繞組的溫升情況，基于前文分析，試驗時在電動機定子繞組端部預先埋設了溫度傳感器，以實現對PMSM繞組溫升監(jiān)控。

表1所示為某PMSM在標準規(guī)定的試驗條件下處于堵轉工況時各個堵轉點下的溫升情況，并未超過其繞組絕緣等級H級對應的溫升限值。在進行驅動電動機系統(tǒng)控制策略以及整車安全保護策略設計時，可參考此溫升對電動機進行保護，避免因溫升過高而將電動機燒毀。

圖525 ℃環(huán)境溫度下某PMSM堵轉特性

表125 ℃環(huán)境條件下堵轉工況溫升

2.3 系統(tǒng)電壓對PMSM堵轉特性的影響

電動汽車運行時由動力蓄電池為驅動電動機逆變器供電，隨著能量消耗以及環(huán)境條件影響，動力蓄電池的輸出電壓必然會產生波動，因此有必要就系統(tǒng)電壓對PMSM堵轉特性的影響進行研究。

圖6所示為某PMSM驅動電動機在系統(tǒng)最高工作電壓Umax以及最低工作電壓Umin下的轉矩特性及最大溫升情況。從圖中不難看出，系統(tǒng)工作電壓對PMSM的堵轉特性的影響不甚明顯，但系統(tǒng)工作電壓超過Umax上限以及Umin下限后，考慮放到IGBT等關鍵部件的工作特性，驅動電動機系統(tǒng)將進入過壓或欠壓保護機制而無法正常工作。

圖6 不同工作電壓下PMSM堵轉及最大溫升

2.4 環(huán)境溫度對PMSM堵轉特性的影響

如前文所述，目前堵轉特性的測試規(guī)范是在室溫冷態(tài)環(huán)境下進行的，然而電動汽車在實際運行時所處的環(huán)境比較惡劣，有極寒環(huán)境，亦有高溫環(huán)境，且PMSM轉子永磁體在高溫環(huán)境下會出現退磁導致電動機轉矩特性變差等特性，因此目前標準的試驗方法以及考核指標具有一定的局限性。為此，本文根據道路車輛的實際運行情況，選取典型的環(huán)境溫度?40℃、?20℃、0、25℃、55℃、65℃、85℃、105℃，按照前文所述的基本堵轉試驗方法，在不同環(huán)境溫度下進行堵轉特性研究。

圖7所示為在不同的環(huán)境溫度下某PMSM的堵轉特性。從圖中不難看出，溫度較低時，PMSM的堵轉轉矩受溫度影響不甚明顯，但隨著溫度上升，由于轉子永磁體對溫度的敏感性，PMSM的堵轉轉矩逐漸下降。在評價PMSM的堵轉轉矩特性時，宜結合其溫度特性，將不同溫度工況下的最小值作為堵轉轉矩值。

圖7 不同環(huán)境溫度下PMSM堵轉特性

3 結論

本文從電動汽車PMSM的堵轉時的能量傳遞關系、電流關系以及熱損耗等角度出發(fā)對堵轉機理進行了分析，并結合現有試驗規(guī)范研究了不同工作電壓以及不同環(huán)境溫度對PMSM的影響。試驗表明，PMSM堵轉性能受高溫影響較大，在環(huán)境溫度高于室溫后，隨著溫度環(huán)境的上升，其堵轉轉矩能力下降。堵轉性能作為電動汽車PMSM綜合性能評價指標之一，影響著電動汽車的性能及安全，因此，本文的研究可為后續(xù)電動汽車整車設計及參數匹配等提供參考。

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