魏亞帥，朱德祥，李 營(yíng)，曹國(guó)振

（海馬新能源汽車有限公司，河南 鄭州 451450）

為了有效緩解能源問(wèn)題和環(huán)境壓力，除中國(guó)外，美、德、日、韓、法、英等世界上主要的汽車產(chǎn)銷國(guó)家也均推出了較為明確的新能源汽車發(fā)展規(guī)劃。中國(guó)針對(duì)純電動(dòng)轎車驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)的技術(shù)戰(zhàn)略將進(jìn)一步朝著輕量化、能源低碳化、提高使用效率等方向發(fā)展，如何全面有效且精確地使用驅(qū)動(dòng)電機(jī)的性能是當(dāng)前整車企業(yè)不斷探索的關(guān)鍵。

1 永磁同步電機(jī)

1.1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)類型

電動(dòng)機(jī)按其工作電流分類，可分為直流電動(dòng)機(jī)和交流電動(dòng)機(jī)。長(zhǎng)期以來(lái)，直流電動(dòng)機(jī)由于成熟穩(wěn)定的調(diào)速技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在工業(yè)過(guò)程中，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、故障率高，不能滿足離散的動(dòng)態(tài)環(huán)境。隨著新型電力電子器件的發(fā)明及推廣和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)階段的純電動(dòng)轎車普遍選用交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

近年來(lái)，隨著第3代稀土永磁材料性能的不斷提高，具備剩磁高、矯頑力高、磁性能高等優(yōu)點(diǎn)使其在工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用［1］。乘用車行業(yè)中，永磁同步電機(jī)具備功率因數(shù)高、效率高、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、功率密度高及可靠性高等優(yōu)點(diǎn)使其在驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)的使用中占有主導(dǎo)地位［2］。

1.2 永磁同步電機(jī)工作原理

長(zhǎng)期以來(lái)，制約交流電機(jī)控制技術(shù)發(fā)展的是轉(zhuǎn)矩和磁鏈的耦合性，使其控制精度難以提升。20世紀(jì)60～70年代，K.Hasse和F.Blaschke提出了控制定子電流矢量技術(shù)，也叫矢量控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了磁鏈和轉(zhuǎn)矩解耦，永磁同步電機(jī)也是采用此控制方式。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，永磁同步電機(jī)的控制技術(shù)逐步完善，控制技術(shù)的動(dòng)態(tài)模型具體步驟如圖1所示。

圖1 動(dòng)態(tài)模型具體步驟

矢量控制技術(shù)是通過(guò)調(diào)節(jié)電樞電流和磁場(chǎng)電流來(lái)控制電機(jī)?，F(xiàn)在有些企業(yè)為了提高轉(zhuǎn)矩的響應(yīng)速度，通過(guò)直接調(diào)節(jié)工作電壓來(lái)改變定、轉(zhuǎn)子磁鏈的夾角來(lái)控制電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩即直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)。近年來(lái)，中外科研人員對(duì)其改進(jìn)技術(shù)也在不斷探索［3-4］。恒轉(zhuǎn)矩角、單位功率因數(shù)（UPF）、磁通與電流相量角控制、單位電流最優(yōu)轉(zhuǎn)矩、恒功率損耗及最大效率等控制方法可根據(jù)需要疊加用于矢量控制中。現(xiàn)實(shí)中永磁同步電機(jī)的控制受到車載動(dòng)力電池的最大電壓和最大電流的限制，在轉(zhuǎn)速增加到一定的數(shù)值后，需要削弱氣隙磁鏈來(lái)抑制感應(yīng)反電動(dòng)勢(shì)，也就是弱磁控制技術(shù)［5-6］。

依據(jù)控制策略及永磁同步電機(jī)自身特性，其在純電動(dòng)轎車中的應(yīng)用曲線可近似總結(jié)為基速以下恒轉(zhuǎn)矩控制、基速以上恒功率控制，如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)矩（T）、頻率（f）及感應(yīng)反電動(dòng)勢(shì)（U）曲線圖

2 永磁同步電機(jī)的初步選型

永磁同步電機(jī)作為純電動(dòng)轎車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，普遍為S9工作制，在實(shí)際的整車開(kāi)發(fā)過(guò)程中，考慮到成本、時(shí)間、穩(wěn)定性等方面，優(yōu)先針對(duì)各項(xiàng)性能已經(jīng)得到驗(yàn)證的驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行選型。

驅(qū)動(dòng)電機(jī)是整車的動(dòng)力源，是由驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器按照整車控制器的要求進(jìn)行控制運(yùn)行。由整車參數(shù)可初步確定驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定功率、峰值扭矩、峰值轉(zhuǎn)速3項(xiàng)參數(shù)，對(duì)其進(jìn)行初步選型。

2.1 永磁同步電機(jī)額定功率的選型

轎車在正常行駛的過(guò)程中，主要承受整車行駛時(shí)的空氣阻力、滾動(dòng)阻力、加速阻力、坡道阻力，驅(qū)動(dòng)電機(jī)應(yīng)滿足整車在各種行駛工況下的驅(qū)動(dòng)力需求。

驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定功率需要滿足整車可持續(xù)行駛的最大需求功率，當(dāng)車速達(dá)到最高目標(biāo)轉(zhuǎn)速時(shí)，此時(shí)需要的額定功率為最高額定功率需求。

式中：PN——驅(qū)動(dòng)電機(jī)額定功率，kW；ηT——?jiǎng)恿鲃?dòng)系統(tǒng)機(jī)械效率；mtest——整車試驗(yàn)質(zhì)量，kg；g——重力加速度，m／s2；f——滾動(dòng)阻力系數(shù)；umax——整車最高車速，km／h；ρ——空氣密度，kg／m3；CD——空氣阻力系數(shù)；A——迎風(fēng)面積，m2。

2.2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)峰值轉(zhuǎn)速的選型

驅(qū)動(dòng)電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速需要高于最高目標(biāo)車速需求。

式中：nmax——驅(qū)動(dòng)電機(jī)峰值轉(zhuǎn)速，r／min；ig——減速器減速比；io——主減速比；r——輪胎滾動(dòng)半徑，m。

2.3 驅(qū)動(dòng)電機(jī)峰值扭矩的選型

整個(gè)行駛工況下，轎車在加速和爬坡兩種情形所需的驅(qū)動(dòng)力最大。

以車速ui爬坡度i所需要的驅(qū)動(dòng)力由下式可得。

式中：Fi——汽車爬坡驅(qū)動(dòng)力需求，Nm；mmax——汽車滿載質(zhì)量，kg；a——坡度角；ui——爬坡車速，km／h。

前期進(jìn)行驅(qū)動(dòng)電機(jī)的初步選型時(shí)，并不能確定整車的加速度曲線，故加速性能不能進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算，可將其假設(shè)為勻加速運(yùn)動(dòng)對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)峰值扭矩進(jìn)行初步計(jì)算選型。

式中：Fa——汽車加速驅(qū)動(dòng)力需求，Nm；δ——汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量系數(shù)；ua——汽車行駛末速度，m／s。

滾動(dòng)阻力系數(shù)計(jì)算公式：

由圖3可知f隨速度的增加而增加，當(dāng)速度為100 km／h時(shí)為最大值0.014 3。由于驅(qū)動(dòng)電機(jī)的真實(shí)運(yùn)行狀況為加速度逐步減小的加速過(guò)程，所以令f=0.014 3，可根據(jù)百公里加速時(shí)間計(jì)算出需求的加速驅(qū)動(dòng)力。

圖3 f在0—100 km／h下曲線圖

取汽車爬坡驅(qū)動(dòng)力需求和加速驅(qū)動(dòng)力需求的最大值為整車所需的峰值驅(qū)動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的峰值扭矩需求Tmax。

由此3項(xiàng)參數(shù)可對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行初步選型，但此時(shí)選型出的驅(qū)動(dòng)電機(jī)并不一定是最精確的，需要結(jié)合驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器和控制策略對(duì)其進(jìn)行校驗(yàn)調(diào)整。

3 驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)校驗(yàn)

驅(qū)動(dòng)電機(jī)的參數(shù)校驗(yàn)環(huán)節(jié)可最終精確展現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的動(dòng)力性能，從根本上判斷方案的合理性。本文以某車型為例，對(duì)整個(gè)校驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行說(shuō)明。

3.1 最高轉(zhuǎn)速校驗(yàn)

轎車行駛在最高車速時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為最高轉(zhuǎn)速區(qū)域，此時(shí)電機(jī)控制器為了降低感應(yīng)反電動(dòng)勢(shì)，采用弱磁控制技術(shù)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩會(huì)隨轉(zhuǎn)速的增加而減小，但應(yīng)不小于車輛行駛需求轉(zhuǎn)矩。

由圖4可看出，在整個(gè)行駛工況中驅(qū)動(dòng)力始終大于行駛阻力整車的滾動(dòng)阻力和空氣阻力之和，在汽車的各個(gè)長(zhǎng)時(shí)間行駛工況中，都能滿足動(dòng)力需求。

圖4 驅(qū)動(dòng)力校驗(yàn)曲線圖

3.2 最大爬坡度校驗(yàn)

整車企業(yè)針對(duì)爬坡度要求的目標(biāo)車速一般設(shè)置為20km／h、30 km／h、60 km／h，可根據(jù)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出特性，將爬坡度的計(jì)算公式分為兩種情況，見(jiàn)下式。

式中：a——爬坡角度，爬坡度為i=tan（a）；ui——汽車行駛速度，km／h；Tmax——驅(qū)動(dòng)電機(jī)峰值扭矩，Nm；Pe——驅(qū)動(dòng)電機(jī)峰值功率，kW。

由圖5可精確判斷驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供整車的爬坡性能。隨著車速的增加，整車的爬坡性能下降顯著。

若汽車銷售的市場(chǎng)為崎嶇山路路況，對(duì)整車的爬坡性能要求就比較嚴(yán)格，應(yīng)適配峰值功率較大的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

3.3 驅(qū)動(dòng)電機(jī)加速時(shí)間校驗(yàn)

驅(qū)動(dòng)電機(jī)能夠輸出的轉(zhuǎn)矩在整個(gè)運(yùn)行區(qū)間與轉(zhuǎn)速相關(guān)。汽車行駛過(guò)程中受到的阻力是一個(gè)隨速度而變化的離散值。

由圖6可知，基于驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器的控制策略，整車的加速度為一個(gè)不規(guī)則的曲線，其加速運(yùn)動(dòng)是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程。

圖5 汽車的爬坡度校驗(yàn)曲線圖

圖6 汽車的加速度曲線圖

將汽車的加速運(yùn)動(dòng)分為兩種情況進(jìn)行分析：一種是車速在基速以下，一種是車速在基速以上。通過(guò)MATLAB對(duì)其加速時(shí)間進(jìn)行積分運(yùn)算，可精準(zhǔn)計(jì)算出驅(qū)動(dòng)電機(jī)的加速時(shí)間 ，從而精準(zhǔn)計(jì)算出整車的動(dòng)力性能。

當(dāng)車速在基速以下時(shí)：

整車的加速運(yùn)動(dòng)曲線如圖7所示，可判斷整車在各個(gè)時(shí)間點(diǎn)能夠達(dá)到的速度，對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)能否滿足整車的加速運(yùn)動(dòng)需求進(jìn)行精確分析。

永磁同步電機(jī)的實(shí)際狀態(tài)和圖2的狀態(tài)有差異，可對(duì)其進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，將實(shí)測(cè)的MAP數(shù)據(jù)通過(guò)MATLAB進(jìn)行計(jì)算分析，確保方案的真實(shí)合理性。

圖7 汽車的加速運(yùn)動(dòng)曲線圖

4 小結(jié)

由驅(qū)動(dòng)電機(jī)的校驗(yàn)結(jié)果，可準(zhǔn)確展現(xiàn)整車的動(dòng)力性能效果。根據(jù)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)方向，選擇合適的永磁同步電機(jī)控制策略。也可根據(jù)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)需要，對(duì)永磁同步電機(jī)進(jìn)行減少匝數(shù)／增加匝數(shù)、加長(zhǎng)鐵心長(zhǎng)度等方面的調(diào)節(jié)來(lái)改善性能，從而最全面、精確地對(duì)其進(jìn)行使用，可達(dá)到提高效率減輕整車質(zhì)量的效果。