電動(dòng)汽車(chē)PMSM堵轉(zhuǎn)特性及試驗(yàn)研究

何鵬林 黃 炘 蔡志濤 孫守富 石昊天

（中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心，天津 300300）

電動(dòng)汽車(chē)具有“低能耗”、“低污染”甚至“零污染”的優(yōu)勢(shì)，是應(yīng)對(duì)當(dāng)前能源、環(huán)境以及交通壓力的有效途徑，因此被廣泛認(rèn)為是未來(lái)汽車(chē)發(fā)展的重要趨勢(shì)。驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)是電動(dòng)汽車(chē)能量轉(zhuǎn)換和動(dòng)力輸出核心的部件，決定了車(chē)輛的動(dòng)力性、穩(wěn)定性、安全性、經(jīng)濟(jì)性以及用戶體驗(yàn)等。永磁同步電動(dòng)機(jī)（PMSM）以其高效率、高功率密度、高功率因數(shù)、低噪聲等優(yōu)點(diǎn)，成為目前電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)應(yīng)用的主流。電動(dòng)汽車(chē)在一定坡度路段起動(dòng)、?？炕蝰{駛員出現(xiàn)拉手剎踩油門(mén)、以及車(chē)輪被卡死等工況下，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)輸出軸被抱死無(wú)法正常運(yùn)轉(zhuǎn)而處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)，此時(shí)被認(rèn)為是驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的堵轉(zhuǎn)工況，若處理不佳，則可能引發(fā)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)過(guò)熱燒毀失效等現(xiàn)象。堵轉(zhuǎn)工況是車(chē)輛常見(jiàn)工況之一，堵轉(zhuǎn)特性是驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)性能考核指標(biāo)之一。然而，當(dāng)前對(duì)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)性能的研究多集中于其在正常運(yùn)轉(zhuǎn)工況中的表現(xiàn)，對(duì)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)堵轉(zhuǎn)性能的研究較少，鑒于此，本文從驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)堵轉(zhuǎn)性能出發(fā)，綜合研究實(shí)際運(yùn)行環(huán)境溫度對(duì)其的影響，為后續(xù)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)綜合性能評(píng)價(jià)以及整車(chē)參數(shù)匹配等提供參考。

1 PMSM堵轉(zhuǎn)機(jī)理分析

1.1 PMSM堵轉(zhuǎn)時(shí)能量傳遞分析

當(dāng)電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)處于堵轉(zhuǎn)工況時(shí)，由于電動(dòng)機(jī)輸出軸被抱死無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)，輸出的機(jī)械功率為零，而此時(shí)車(chē)輛動(dòng)力蓄電池仍在為電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)繞組中，因此會(huì)造成繞組溫度的急劇上升。圖1所示為堵轉(zhuǎn)工況時(shí)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)中的能量傳遞關(guān)系。其中，PINV為驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)逆變器功率損耗，主要為 IGBT等功率模塊的開(kāi)關(guān)損耗及導(dǎo)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(chǎn)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(chǎn)生的熱損耗功率，是主要部分。

圖2所示為某電動(dòng)機(jī)處于堵轉(zhuǎn)工況時(shí)，逆變器直流母線電壓、直流電流、電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩、直流側(cè)功率以及電動(dòng)機(jī)交流側(cè)功率值。由圖中不難看出，轉(zhuǎn)速為零，機(jī)械功率為零，約7.4kW的電動(dòng)機(jī)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(zhuǎn)工況時(shí)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)能量傳遞關(guān)系

圖2 某PMSM堵轉(zhuǎn)工況下轉(zhuǎn)矩及功率等參數(shù)

1.2 PMSM堵轉(zhuǎn)時(shí)電流及損耗分析

基于轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制方式是目前PMSM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)最常采用的控制方式之一，其控制方式與感應(yīng)電動(dòng)機(jī)類(lèi)似，基本原理是將ABC三相靜置坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為兩相 d-q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，將定子繞組電流分解到以轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的轉(zhuǎn)子軸上，進(jìn)而分解得到電動(dòng)機(jī)的磁場(chǎng)電流和轉(zhuǎn)矩電流，并進(jìn)行解耦控制，從而使PMSM具有與直流電動(dòng)機(jī)類(lèi)似的控制性能。相關(guān)的研究已經(jīng)很多，這里不再贅述。

PMSM在正常工作時(shí)，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(zhuǎn)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(jiàn)，正常工作時(shí)三相電流為對(duì)稱的正弦交流電流。當(dāng)PMSM處于堵轉(zhuǎn)工況轉(zhuǎn)子被固定在某個(gè)位置時(shí)，轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)位置也被固定，定子電流矢量也將被固定在對(duì)應(yīng)的方向上，根據(jù)文獻(xiàn)[2]的分析，此時(shí)存在堵轉(zhuǎn)飽和效應(yīng)，即永磁體轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁場(chǎng)對(duì)各相磁路產(chǎn)生不均衡的影響，進(jìn)而導(dǎo)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(gè)位置堵轉(zhuǎn)時(shí)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(yán)重，如果堵轉(zhuǎn)工況持續(xù)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，C項(xiàng)繞組就可能將最先被燒毀。根據(jù)文獻(xiàn)[4]的分析，PMSM定子繞組端部是繞組發(fā)熱時(shí)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(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)及控制保護(hù)時(shí)應(yīng)特別關(guān)注此部位的溫升變化。

圖3 某PMSM堵轉(zhuǎn)工況下各相電流分布

根據(jù)文獻(xiàn)[5]的分析可知，此時(shí)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(zhuǎn)時(shí)電動(dòng)機(jī)總銅耗簡(jiǎn)化為

其中，各相繞組銅耗簡(jiǎn)化為

式中，AR、BR、CR分別為三相繞組電阻值。

根據(jù)以上公式，可計(jì)算驗(yàn)證堵轉(zhuǎn)時(shí)某PMSM電動(dòng)機(jī)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(zhuǎn)試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)平臺(tái)

為了進(jìn)行試驗(yàn)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(zhuǎn)速為20000r/min的測(cè)功機(jī)系統(tǒng)，轉(zhuǎn)矩傳感器采用了高精度的HBM T12轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器，可實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)矩的精準(zhǔn)采集。本套測(cè)功機(jī)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)子任意機(jī)械角度位置的鎖死控制器，保證了本文堵轉(zhuǎn)試驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)。另外，為了模擬PMSM所處不同環(huán)境溫度，本套測(cè)試系統(tǒng)配備了可實(shí)現(xiàn)?40℃～150℃不同溫度恒溫控制器的環(huán)境試驗(yàn)倉(cāng)。整個(gè)試驗(yàn)平臺(tái)如圖4所示。

圖4 PMSM堵轉(zhuǎn)特性試驗(yàn)系統(tǒng)

2.2 試驗(yàn)方法

目前國(guó)內(nèi)針對(duì)電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)堵轉(zhuǎn)試驗(yàn)的方法及要求基本參考GB/T 18488.2—2015《電動(dòng)汽車(chē)用驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng) 第2部分：試驗(yàn)方法》，按照該規(guī)范的試驗(yàn)步驟如下：

1）將電動(dòng)機(jī)逆變器直流母線電壓設(shè)置為系統(tǒng)額定電壓。

2）使測(cè)試電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)處于室溫冷態(tài)，一般為（25±3）℃。

3）將電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子堵住，通過(guò)逆變器向電動(dòng)機(jī)施加相應(yīng)的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，測(cè)量并記錄堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩值及持續(xù)時(shí)間。

4）改變轉(zhuǎn)子的機(jī)械角度位置，沿轉(zhuǎn)子圓周方向均勻選取5個(gè)堵轉(zhuǎn)測(cè)試點(diǎn)，即每隔72°機(jī)械角度選取一個(gè)測(cè)試點(diǎn)，重復(fù)步驟2）、3）。

5）將5次測(cè)試中的最小值作為該被測(cè)電動(dòng)機(jī)的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩值。

為了進(jìn)行PMSM堵轉(zhuǎn)特性試驗(yàn)，本文采用了高精度轉(zhuǎn)矩傳感器以及采樣頻率高達(dá) 1000Hz的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，同時(shí)采用濾波處理以消除試驗(yàn)過(guò)程中的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，保證了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性與可靠性，為開(kāi)展本文試驗(yàn)研究提供了保障。

圖5所示為某PMSM在環(huán)境溫度25℃時(shí)的堵轉(zhuǎn)特性，每個(gè)機(jī)械角度下堵轉(zhuǎn)持續(xù)時(shí)間為15s。據(jù)圖可分析，在第1個(gè)堵轉(zhuǎn)位置時(shí)C相繞組堵轉(zhuǎn)；第2個(gè)堵轉(zhuǎn)位置時(shí)B相繞組堵轉(zhuǎn)；第3個(gè)堵轉(zhuǎn)位置時(shí)A相繞組堵轉(zhuǎn)；第4個(gè)堵轉(zhuǎn)位置時(shí)C相繞組堵轉(zhuǎn)；第5個(gè)堵轉(zhuǎn)位置時(shí)A相繞組堵轉(zhuǎn)。按照該標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)方法，此時(shí)該 PMSM 的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩為 TK=min[277.9,276.8, 280.5, 278.8, 276.5]N·m=276.5N·m。同時(shí)，為了研究在該環(huán)境溫度下發(fā)生堵轉(zhuǎn)時(shí)繞組的溫升情況，基于前文分析，試驗(yàn)時(shí)在電動(dòng)機(jī)定子繞組端部預(yù)先埋設(shè)了溫度傳感器，以實(shí)現(xiàn)對(duì)PMSM繞組溫升監(jiān)控。

表1所示為某PMSM在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試驗(yàn)條件下處于堵轉(zhuǎn)工況時(shí)各個(gè)堵轉(zhuǎn)點(diǎn)下的溫升情況，并未超過(guò)其繞組絕緣等級(jí)H級(jí)對(duì)應(yīng)的溫升限值。在進(jìn)行驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)控制策略以及整車(chē)安全保護(hù)策略設(shè)計(jì)時(shí)，可參考此溫升對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行保護(hù)，避免因溫升過(guò)高而將電動(dòng)機(jī)燒毀。

圖525 ℃環(huán)境溫度下某PMSM堵轉(zhuǎn)特性

表125 ℃環(huán)境條件下堵轉(zhuǎn)工況溫升

2.3 系統(tǒng)電壓對(duì)PMSM堵轉(zhuǎn)特性的影響

電動(dòng)汽車(chē)運(yùn)行時(shí)由動(dòng)力蓄電池為驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)逆變器供電，隨著能量消耗以及環(huán)境條件影響，動(dòng)力蓄電池的輸出電壓必然會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)，因此有必要就系統(tǒng)電壓對(duì)PMSM堵轉(zhuǎn)特性的影響進(jìn)行研究。

圖6所示為某PMSM驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)在系統(tǒng)最高工作電壓Umax以及最低工作電壓Umin下的轉(zhuǎn)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(duì)PMSM的堵轉(zhuǎn)特性的影響不甚明顯，但系統(tǒng)工作電壓超過(guò)Umax上限以及Umin下限后，考慮放到IGBT等關(guān)鍵部件的工作特性，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)將進(jìn)入過(guò)壓或欠壓保護(hù)機(jī)制而無(wú)法正常工作。

圖6 不同工作電壓下PMSM堵轉(zhuǎn)及最大溫升

2.4 環(huán)境溫度對(duì)PMSM堵轉(zhuǎn)特性的影響

如前文所述，目前堵轉(zhuǎn)特性的測(cè)試規(guī)范是在室溫冷態(tài)環(huán)境下進(jìn)行的，然而電動(dòng)汽車(chē)在實(shí)際運(yùn)行時(shí)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(zhuǎn)子永磁體在高溫環(huán)境下會(huì)出現(xiàn)退磁導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩特性變差等特性，因此目前標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)方法以及考核指標(biāo)具有一定的局限性。為此，本文根據(jù)道路車(chē)輛的實(shí)際運(yùn)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(zhuǎn)試驗(yàn)方法，在不同環(huán)境溫度下進(jìn)行堵轉(zhuǎn)特性研究。

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

圖7 不同環(huán)境溫度下PMSM堵轉(zhuǎn)特性

3 結(jié)論

本文從電動(dòng)汽車(chē)PMSM的堵轉(zhuǎn)時(shí)的能量傳遞關(guān)系、電流關(guān)系以及熱損耗等角度出發(fā)對(duì)堵轉(zhuǎn)機(jī)理進(jìn)行了分析，并結(jié)合現(xiàn)有試驗(yàn)規(guī)范研究了不同工作電壓以及不同環(huán)境溫度對(duì)PMSM的影響。試驗(yàn)表明，PMSM堵轉(zhuǎn)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(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩能力下降。堵轉(zhuǎn)性能作為電動(dòng)汽車(chē)PMSM綜合性能評(píng)價(jià)指標(biāo)之一，影響著電動(dòng)汽車(chē)的性能及安全，因此，本文的研究可為后續(xù)電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)設(shè)計(jì)及參數(shù)匹配等提供參考。

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