姚 超，陸海斌

(長安輕型車研發(fā)中心，河北 定州 073000)

0 引 言

永磁同步電機(Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM)性能參數(shù)的設(shè)計直接影響整車動力性能及經(jīng)濟性能，通過AVL-Cruise軟件的靈活性模塊化對某電動汽車傳動系建模仿真。利用Motor-CAD軟件磁熱耦合設(shè)置項迭代計算得到整車運行效率MAP圖。與實際樣件標(biāo)定數(shù)據(jù)對比，提出參數(shù)優(yōu)化方向，并對優(yōu)化后樣機二次標(biāo)定，需求參數(shù)及效率MAP明顯提升了整車動力、經(jīng)濟性能指標(biāo)[1-2]。

1 PMSM性能參數(shù)匹配

采用Cruise軟件對整車動力、經(jīng)濟性仿真得出結(jié)果，與樣車驗證結(jié)合并提出優(yōu)化方案。整車動力傳動系統(tǒng)建模如圖1所示。

圖1 純電動汽車傳動系模型圖

電動汽車的動力性指標(biāo)主要由加速能力、爬坡能力和最高車速來衡量。該純電動車的整車輸入?yún)?shù)及性能要求如表1和表2所示。

表1 純電動汽車的整車參數(shù)及性能要求

表2 純電動汽車的動力性能指標(biāo)要求

純電動汽車最高車速是其動力性能的重要指標(biāo)，最高車速可以通過電機的最高轉(zhuǎn)速求得[3]，即

(1)

式中，nmax為電機最高轉(zhuǎn)速；igmin為傳動最小傳動比。

最大爬坡度決定電機峰值轉(zhuǎn)矩，低速時忽略空氣阻力，則有電機峰值轉(zhuǎn)矩

(2)

式中，Tmax為電機峰值轉(zhuǎn)矩；M為整車質(zhì)量；g為重力加速度；fr為滾動阻力系數(shù)；η機械傳動系統(tǒng)效率；αmax為最大坡度角。

車輛在平坦良好路面上以最高車速行駛時的阻力功率之和不大于所選電機功率，即電動汽車以最高車速行駛消耗的功率為[4]

(3)

式中，Pv為電機額定功率；nt為傳動系統(tǒng)效率；M為整車質(zhì)量；fr為滾動阻力系數(shù)；CD為迎風(fēng)阻力系數(shù)；Af車輛迎風(fēng)面積；Vmax為車輛最高車速。

根據(jù)式(1)、式(2)、式(3)及匹配準(zhǔn)則得出電機系統(tǒng)性能需求參數(shù)如表3所示。

表3 電機性能需求參數(shù)

2 建模仿真

2.1 基于MOTOR-CAD的PMSM模型建立

對電機幾何模型及外部單元部件等進行參數(shù)設(shè)置，不考慮法蘭與安裝底座。永磁同步電機電磁場計算模型如圖2所示。

圖2 電磁場計算模型

2.2 電磁場分析

為節(jié)省仿真時間，選取PMSM的1/8模型結(jié)構(gòu)，得到定轉(zhuǎn)子磁密如圖3所示。

圖3 3000 r/min且50 kW工況磁密云圖

圖4 3000 r/min且50 kW工況空載反電勢波形

由反電勢波形圖4可見，反電勢中存在諧波，通過FFT得出頻域下反電動勢基波幅值，如圖5所示。

圖5 3000r/min且50 kW工況反電動勢基波幅值

由圖看出，高次11次、13次諧波比較明顯。通過轉(zhuǎn)子斜極可以削弱高次諧波如圖6所示，通過調(diào)整轉(zhuǎn)子磁路優(yōu)化可通過磁橋飽和來限制漏磁問題[5-7]。

圖6 3000 r/min且50 kW工況反電動勢基波幅值(轉(zhuǎn)子斜極)

2.3 損耗分析

2.3.1 損耗分解

電機熱激勵由電路中繞組和磁路中永磁體產(chǎn)生，繞組溫度將被用于計算其不同溫度下的電阻值，而永磁體的溫度用于計算不同溫度下的剩磁情況。

2.3.1.1 銅耗

PMSM的定子繞組損耗為[8-9]

PCu=3I2R

(4)

式中，I為繞組相電流有效值；R為沒相繞組的電阻。

2.3.1.2 鐵耗

PMSM的鐵心損耗采用磁熱損耗單向耦合，其計算公式為

(5)

式中，Kh、Kc、Ke分別為磁滯損耗系數(shù)、渦流損耗系數(shù)、異常損耗系數(shù)；f為頻率；Bm為磁密幅值。

2.3.1.3 機械損耗

磁滯損耗的數(shù)學(xué)模型為[9-10]

(6)

式中，Ph為磁滯損耗；Kh為磁滯損耗系數(shù)；fgui為硅鋼片電頻率；Bm為硅鋼片中最大磁密值；Vgui為硅鋼片體積。渦流損耗的數(shù)學(xué)模型

(7)

式中，Pe為磁滯損耗；Ke為磁滯損耗系數(shù)。

2.3.2 損耗耦合仿真

通過E-mag模塊磁-熱耦合設(shè)置可將電磁分析的損耗數(shù)據(jù)與Terminal模塊計算數(shù)據(jù)迭代并達到收斂，最終得到電機溫度分布情況及各部分損耗情況，電磁損耗分布如圖7所示。

圖7 3000 r/min且50 kW工況下E-mag模塊電磁損耗云圖(轉(zhuǎn)子斜極)

2.4 電磁熱耦合仿真

2.4.1 模型求解

Motor-CAD采用2D FEA求解器對電磁分析模型進行電磁性能計算。計算過程可以與熱分析模型進行耦合，并同時進行電磁熱耦合分析計算。如圖8為電磁熱耦合分析原理圖[11-13]。

圖8 電磁熱耦合分析原理

2.4.2 溫升數(shù)據(jù)對比分析

提取其中部分電機仿真數(shù)據(jù)與樣機實測溫升數(shù)據(jù)進行對比，第一次標(biāo)定照片如圖9所示。

圖9 樣機臺架標(biāo)定

試驗數(shù)據(jù)驗證了Motor-CAD電磁熱耦合仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，3000 r/min且45 kW工況下仿真溫度誤差<5%，10000 r/min且45 kW工況下仿真溫度誤差<5.5%，對比曲線如圖10所示。

圖10 溫升數(shù)據(jù)對比

3 MOTOR-LAB仿真計算及驗證

特定驅(qū)動工況下的熱分析需要導(dǎo)入功耗隨時間的變化數(shù)據(jù)。在lab模塊中建立了損耗模型并設(shè)置了參數(shù)邊界，仿真得到電機的效率MAP如圖11所示，對樣機效率標(biāo)定如圖12所示。

圖11 Lab模塊電機效率仿真圖

圖12 電機效率map圖(第一次標(biāo)定)

從圖11、圖12看出，為了使整車滿足整車法規(guī)，電機高效區(qū)需要前移來滿足整車經(jīng)濟性指標(biāo)。通過對PMSM樣機損耗進行優(yōu)化，重新進行了效率標(biāo)定，第二次標(biāo)定照片如圖13所示，電機效率>85%的高效區(qū)明顯前移，第二次標(biāo)定效率map如圖14所示。

圖13 樣機優(yōu)化后臺架標(biāo)定

圖14 電機效率map圖(第二次標(biāo)定)

動力經(jīng)濟性仿真如表4所示，通過樣機優(yōu)化，明顯提高了NEDC工況續(xù)時里程。

表4 仿真值與標(biāo)定值對比表

4 結(jié) 論

本文采用Cruise軟件對PMSM的驅(qū)動性能參數(shù)進行了匹配驗證，并采用Motor-CAD得到電機電磁熱耦合仿真結(jié)果與實測溫升數(shù)據(jù)進行對比，證明其模型的準(zhǔn)確性。通過Motor-CAD軟件中的Lab實驗室模塊得到各個工作點仿真計算與標(biāo)定數(shù)據(jù)MAP圖對比，得出電機性能需求參數(shù)的優(yōu)化方向，為純電動汽車動力、經(jīng)濟性能需求指標(biāo)提升提供參考。