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(chē)工程學(xué)院,湖北 武漢 430070；2.神龍汽車(chē)有限公司 市場(chǎng)部,湖北 武漢 430056)

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電機(jī)控制器限流對(duì)車(chē)輛匹配影響的試驗(yàn)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(chē)工程學(xué)院,湖北 武漢 430070；2.神龍汽車(chē)有限公司 市場(chǎng)部,湖北 武漢 430056)

結(jié)合電機(jī)控制理論，從理論上分析電機(jī)控制器限流對(duì)電機(jī)性能的影響，發(fā)現(xiàn)采用矢量控制的電機(jī)控制器限流時(shí)，可以改變電機(jī)的輸出外特性。設(shè)計(jì)并搭建試驗(yàn)臺(tái)架，對(duì)比分析電機(jī)控制器限流前后電機(jī)的輸出外特性。結(jié)果表明，限流使得電機(jī)的最大輸出扭矩變小，額定轉(zhuǎn)速向后偏移。因此，電機(jī)控制器限流降低了電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力性，提高了電動(dòng)汽車(chē)的經(jīng)濟(jì)性。在對(duì)電動(dòng)汽車(chē)系統(tǒng)進(jìn)行匹配時(shí)，從限流的角度來(lái)說(shuō)，將電機(jī)及電機(jī)控制器作為一個(gè)整體考慮能使車(chē)輛的動(dòng)力系統(tǒng)匹配更加合理，滿足車(chē)輛動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性需求。

電動(dòng)汽車(chē);電機(jī)控制器;限流;匹配技術(shù);試驗(yàn)研究

電機(jī)及電機(jī)控制器是電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的核心部件之一。電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)主要包括直流電機(jī)、感應(yīng)電機(jī)、永磁同步電機(jī)和開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)4類(lèi)[1]，而永磁同步電機(jī)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(shí)現(xiàn)了對(duì)磁場(chǎng)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(jī)控制器對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制的同時(shí)，還進(jìn)行過(guò)壓、過(guò)流和欠壓保護(hù)。電機(jī)控制器限流保護(hù)了動(dòng)力電池、電機(jī)控制器和電機(jī)等設(shè)備，提高了電動(dòng)車(chē)輛的安全性和使用壽命，同時(shí)也影響了驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出特性。文獻(xiàn)[4-6]在電動(dòng)汽車(chē)匹配進(jìn)行電機(jī)選擇時(shí)，未考慮電機(jī)控制器限流的影響。但在實(shí)際的車(chē)輛動(dòng)力系統(tǒng)匹配工作時(shí)，不僅要考慮電機(jī)自身的特性，而且要考慮電機(jī)及電機(jī)控制器系統(tǒng)的特性,這樣才能更好地利用電機(jī)的性能。以永磁同步電機(jī)為研究對(duì)象，研究電機(jī)控制器限流保護(hù)對(duì)電機(jī)輸出特性的影響，提出將電機(jī)及電機(jī)控制器作為整體對(duì)電動(dòng)汽車(chē)匹配技術(shù)有著重要的意義。

1 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電機(jī)控制器限流的理論分析

1.1 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電機(jī)控制器限流的影響分析

驅(qū)動(dòng)電機(jī)性能除了取決于自身因素，還受到所匹配電機(jī)控制器的影響。電機(jī)控制器進(jìn)行限流時(shí)，若限流值過(guò)小，則電機(jī)啟動(dòng)困難、運(yùn)轉(zhuǎn)慢、轉(zhuǎn)矩小；若限流值過(guò)大，則電機(jī)控制器在車(chē)輛起步、加速、爬坡時(shí)，輸出功率過(guò)大，失去限流保護(hù)的作用，易燒毀電器元件，且使得車(chē)輛能耗變高，續(xù)駛里程減少。因此，合理選擇電機(jī)控制器的限流值具有重要意義。

1.2 限流對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電機(jī)性能的影響

同步電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，運(yùn)行轉(zhuǎn)速與定子電頻率和極對(duì)數(shù)有關(guān)，與負(fù)載無(wú)關(guān)，為恒定常數(shù)[7]。對(duì)于永磁同步電機(jī)，在矢量控制方法下，電機(jī)的控制分為3個(gè)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(duì)數(shù)；ψf為轉(zhuǎn)子永磁體磁鏈；iq為電機(jī)電流在交軸上的分量；id為電機(jī)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(jī)在給定轉(zhuǎn)矩下運(yùn)行時(shí)，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(biāo)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(jī)輸出轉(zhuǎn)矩Te恒定。

在恒轉(zhuǎn)矩控制過(guò)程中，電樞繞組的反電動(dòng)勢(shì)隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的升高而升高，當(dāng)與電機(jī)的極限電壓ulim相等時(shí)，電機(jī)達(dá)到該控制方式下的最高轉(zhuǎn)速，即拐點(diǎn)轉(zhuǎn)速，用電角速度ωb表示。電機(jī)在恒轉(zhuǎn)矩控制過(guò)程中，轉(zhuǎn)矩不變，功率線性增加并在拐點(diǎn)處轉(zhuǎn)速達(dá)到最大。

當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到恒轉(zhuǎn)矩下的最大轉(zhuǎn)速時(shí)，要提高轉(zhuǎn)速必須進(jìn)行弱磁。永磁同步電機(jī)的弱磁控制通過(guò)增加定子電流的去磁電流分量來(lái)實(shí)現(xiàn)弱磁升速[9]。當(dāng)ψf>Ldis時(shí)，有：

(3)

當(dāng)ψf≤Ldis時(shí)，有：

(4)

當(dāng)ψf

結(jié)合式(1)、式(3)和式(4)可得，當(dāng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速超過(guò)拐點(diǎn)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(duì)于電機(jī)系統(tǒng)，忽略粘性摩擦和扭轉(zhuǎn)彈性，則電機(jī)的驅(qū)動(dòng)機(jī)械方程為：

(5)

式中：TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩；J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；ω為電機(jī)角速度。

由式(5)可知，電機(jī)系統(tǒng)通過(guò)外界負(fù)載扭矩實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速與扭矩的耦合和平衡。電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩控制均通過(guò)對(duì)id和iq電流的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)，電機(jī)控制器本質(zhì)上是一個(gè)電流控制系統(tǒng)。在永磁同步電機(jī)中，經(jīng)過(guò)反Clark變換和反Park變換，控制id和iq電流實(shí)際是控制定子的三相電流。

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

(6)

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

(7)

(8)

式中,uDC為電機(jī)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(jī)的角速度ω及其極限值方程：

(11)

(12)

電機(jī)電流同樣受到電機(jī)控制器的限制，電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，若電機(jī)控制器最大限流為Ilim，則：

(13)

由式(7)～式(13)可知，當(dāng)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，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(dāng)電機(jī)處于恒轉(zhuǎn)矩控制階段時(shí)，要求輸出轉(zhuǎn)矩恒定，id和iq受到式(13)的限制；當(dāng)uDC一定時(shí)，最高電角速度ωb受到式(12)的限制。當(dāng)電機(jī)控制器限流時(shí)，使得Ilim減小，從而減小了式(2)計(jì)算所得的極限id和iq；由式(1)可知電機(jī)的最大輸出轉(zhuǎn)矩變??；由式(11)可知相同電機(jī)轉(zhuǎn)速下，電機(jī)的輸出最大電壓變??；由式(12)可知電機(jī)的拐點(diǎn)轉(zhuǎn)速變大，即向后偏移。

當(dāng)電機(jī)處于普通弱磁控制階段時(shí)，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(shí)求得的id和iq為最大值。當(dāng)轉(zhuǎn)速超過(guò)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(jī)控制器的限流值并不會(huì)改變電機(jī)的輸出特性。在此控制階段，電機(jī)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(jī)實(shí)測(cè)外特性機(jī)械性能

圖2 某款永磁同步電機(jī)實(shí)測(cè)外特性電參數(shù)變化曲線

經(jīng)過(guò)上述分析可知，電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速實(shí)際為恒轉(zhuǎn)矩控制下的極限轉(zhuǎn)速；電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速實(shí)際為普通弱磁控制下的極限轉(zhuǎn)速，同時(shí)受到電機(jī)控制器可調(diào)頻率范圍、電機(jī)控制器及電機(jī)元器件的耐高溫條件的限制；電機(jī)控制器的輸入直流電壓影響電機(jī)的輸出外特性；電機(jī)控制器限流時(shí)，限流值越小，電機(jī)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(jī)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(jī)控制器限流對(duì)電機(jī)影響的臺(tái)架驗(yàn)證

2.1 試驗(yàn)臺(tái)架搭建

電動(dòng)汽車(chē)所選配的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在裝車(chē)之前需進(jìn)行性能測(cè)試，基于電驅(qū)動(dòng)式自動(dòng)變速器[11]搭建測(cè)試臺(tái)架，測(cè)試電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)性能。測(cè)試臺(tái)架主要包括測(cè)試系統(tǒng)、被測(cè)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(cè)試臺(tái)架系統(tǒng)構(gòu)成

由上述分析可知，電機(jī)控制器的限流值主要影響電機(jī)的輸出外特性，在電機(jī)控制器限流值分別為600 A和500 A下進(jìn)行電機(jī)的對(duì)比試驗(yàn)，所測(cè)試電機(jī)及電機(jī)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(jī)參數(shù)

表2 所選電機(jī)控制器參數(shù)

2.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

在電機(jī)控制器限流值分別為600 A和500 A下，試驗(yàn)測(cè)得電機(jī)外特性對(duì)比如圖4所示，效率對(duì)比如圖5所示。

圖4 不同限流值下電機(jī)外特性輸出曲線

圖5 不同限流值下效率對(duì)比

由圖4可知，電機(jī)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(dāng)超過(guò)額定轉(zhuǎn)速時(shí)，電機(jī)控制器的限流值不改變電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩、功率和極限運(yùn)行轉(zhuǎn)速。

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

表3 不同限流值下的參數(shù)值對(duì)比

3 電動(dòng)汽車(chē)匹配技術(shù)研究

3.1 現(xiàn)有電動(dòng)汽車(chē)匹配方法

車(chē)輛在進(jìn)行匹配計(jì)算時(shí)，先根據(jù)動(dòng)力性指標(biāo)選擇所需匹配的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，再根據(jù)所選驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性核算。在動(dòng)力性匹配計(jì)算中，最高車(chē)速、加速性能和爬坡性能是最重要的3個(gè)動(dòng)力性指標(biāo)，其中最高車(chē)速?zèng)Q定驅(qū)動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)的最大輸出功率，爬坡性能決定驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的最大輸出轉(zhuǎn)矩。在確定動(dòng)力系統(tǒng)各個(gè)參數(shù)之后，再根據(jù)相應(yīng)的循環(huán)工況進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性核算[12]。對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)，電機(jī)在超調(diào)狀態(tài)下輸出最大轉(zhuǎn)矩，但只能維持一定時(shí)長(zhǎng)，不能持續(xù)輸出[13]。由于電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)在該性能上的差異，使得電動(dòng)汽車(chē)在進(jìn)行匹配計(jì)算時(shí)需考核更多的參數(shù)，如最高巡航車(chē)速、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行車(chē)速和續(xù)駛里程等。

現(xiàn)今電動(dòng)汽車(chē)的匹配技術(shù)中，一般先依據(jù)動(dòng)力性指標(biāo)確定電機(jī)，再依據(jù)所選電機(jī)匹配電機(jī)控制器，然后依據(jù)車(chē)輛的運(yùn)行工況和續(xù)駛里程要求來(lái)匹配動(dòng)力電池，最后依據(jù)所選的各個(gè)部件的參數(shù)對(duì)車(chē)輛的動(dòng)力性指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)進(jìn)行核定。顯然，在該匹配技術(shù)中，電機(jī)的選擇具有重要意義，電機(jī)對(duì)電機(jī)控制器、動(dòng)力電池等存在影響，但若忽略電機(jī)控制器或動(dòng)力電池對(duì)電機(jī)的影響，會(huì)使整個(gè)車(chē)輛的匹配過(guò)程存在一定的不合理之處。

3.2 電機(jī)控制器限流對(duì)車(chē)輛匹配技術(shù)的影響分析

電機(jī)控制器的限流使得電機(jī)的輸出外特性發(fā)生了改變，從而在對(duì)車(chē)輛進(jìn)行匹配時(shí)會(huì)對(duì)整車(chē)的性能指標(biāo)產(chǎn)生影響，如圖6所示。

圖6 不同限流值對(duì)車(chē)輛匹配性能影響

由圖6可知，車(chē)輛的最高車(chē)速u(mài)max處于電機(jī)最高轉(zhuǎn)速附近(額定轉(zhuǎn)速之后)，故限流對(duì)umax無(wú)影響；限流值越小，最大輸出驅(qū)動(dòng)力越小，使得整車(chē)的爬坡性能降低。在電動(dòng)汽車(chē)中，最高巡航車(chē)速指車(chē)輛能夠持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行的最高車(chē)速，一般采用電機(jī)額定轉(zhuǎn)速略向后轉(zhuǎn)速下對(duì)應(yīng)的車(chē)速估算，此時(shí)電機(jī)輸出功率約為額定功率，可采用圖6中的u1、u2進(jìn)行比較。經(jīng)濟(jì)運(yùn)行車(chē)速一般采用電機(jī)額定轉(zhuǎn)速下略向前的轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的車(chē)速估算，略小于最高巡航車(chē)速。再結(jié)合圖5可知，電機(jī)控制器的限流改變了電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速和效率，最高巡航車(chē)速和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行點(diǎn)，使得匹配的車(chē)輛運(yùn)行在相同車(chē)速下，對(duì)應(yīng)的電機(jī)運(yùn)行在相同的狀態(tài)下，限流值越小，整車(chē)的經(jīng)濟(jì)性越好。

4 結(jié)論

以永磁同步電機(jī)的矢量控制為例，從理論上得出電機(jī)控制器限流值越小，電機(jī)的最大輸出轉(zhuǎn)矩越小，額定轉(zhuǎn)速向后偏移越大，但對(duì)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速后的輸出特性無(wú)影響的結(jié)論；并對(duì)永磁同步電機(jī)及電機(jī)控制器進(jìn)行不同限流值的試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果與理論分析所得結(jié)論相同，結(jié)果表明電機(jī)控制器不同的限流值會(huì)使電機(jī)的峰值性能、高效工作區(qū)間與拐點(diǎn)產(chǎn)生變化，因此應(yīng)將電機(jī)及電機(jī)控制器作為整體對(duì)電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)行匹配，才能更好地滿足整車(chē)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性要求。在車(chē)輛實(shí)際運(yùn)行中，動(dòng)力電池電壓波動(dòng)同樣影響電機(jī)的輸出特性，在電動(dòng)汽車(chē)的匹配技術(shù)中也應(yīng)考慮其影響。

[1] 柴海波,鄢治國(guó),況明偉,等.電動(dòng)車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀 [J].微特電機(jī),2013,41(4):52-57.

[2] 王秀和.永磁電機(jī)[M].北京:中國(guó)電力出版社,2007:251-256.

[3] 鄭澤東,李永東.永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)綜述[J].伺服控制,2009(1):22-26.

[4] 楊蕓蕓.充電式混合動(dòng)力城市客車(chē)設(shè)計(jì)及仿真[D].武漢:武漢理工大學(xué),2010.

[5] 周飛鯤.純電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配及整車(chē)控制策略研究[D].長(zhǎng)春:吉林大學(xué),2013.

[6] 朱曰瑩,趙桂范,楊娜,等.電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配及優(yōu)化[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2013(7):90-95.

[7] STEPHEN J C.電機(jī)學(xué)[M].劉新正,蘇少平,高琳,等，譯.北京:電子工業(yè)出版社,2012:169-185.

[8] 楊光亮.車(chē)用永磁同步電機(jī)控制方法研究[D].大連:大連理工大學(xué),2009.

[9] 溫有東.電動(dòng)汽車(chē)用永磁同步電機(jī)的研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2012.

[10] 張?jiān)?電動(dòng)車(chē)用永磁電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)及弱磁控制[D].杭州:浙江大學(xué),2014.

[11] 曹正策.基于電驅(qū)動(dòng)自動(dòng)變速器(EMT)的Plug_in并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)研究[D].武漢: 武漢理工大學(xué),2011.

[12] 陳繼龍.汽車(chē)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)仿真的研究[D].西安: 西安科技大學(xué),2013.

[13] 何洪文,余曉江,孫逢春,等.電動(dòng)汽車(chē)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力特性分析[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2006,26(6):136-140.

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(chē)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(xiàng)目(2014-II-004)；武漢市科學(xué)技術(shù)局科研基金資助項(xiàng)目(2013011801010596).

2095-3852(2015)06-0671-04

A

U469.72

10.3963/j.issn.2095-3852.2015.06.002