電動(dòng)汽車用異步電機(jī)自適應(yīng)溫升檢測(cè)裝置的研究

吳詩(shī)宇，尹瀟，顏文森

（重慶車輛檢測(cè)研究院 國(guó)家客車質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，重慶 401122）

前言

大力發(fā)展電動(dòng)汽車是實(shí)現(xiàn)交通能源轉(zhuǎn)型的根本途徑，也是汽車產(chǎn)業(yè)節(jié)能減排的重要突破口。近年來(lái)，我國(guó)電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展已經(jīng)從示范運(yùn)行期進(jìn)入市場(chǎng)推廣期，迎來(lái)了更大的發(fā)展機(jī)遇。驅(qū)動(dòng)電機(jī)將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，是電動(dòng)汽車不可缺少的一項(xiàng)關(guān)鍵部件[1～2]。

電動(dòng)汽車的異步電機(jī)一般體積較小，冷卻面積小，溫升問(wèn)題較為突出，電機(jī)的溫升是異步電機(jī)的重要檢測(cè)指標(biāo)[3]。電機(jī)內(nèi)的絕緣材料都有一個(gè)耐熱等級(jí)，如果電機(jī)溫升超過(guò)耐熱等級(jí)，會(huì)造成絕緣材料損壞，電機(jī)燒毀。不管是電機(jī)過(guò)載能力，長(zhǎng)期負(fù)載能力還是電機(jī)輕小型化，都受限于絕緣材料的耐熱等級(jí)（即電機(jī)溫升限值）[4]。另外，如果電機(jī)溫升過(guò)高，車輛動(dòng)力性需降額運(yùn)行，降低電機(jī)運(yùn)行功率，這種情況大多發(fā)生在大型電動(dòng)汽車長(zhǎng)時(shí)間爬坡過(guò)程中。故電機(jī)的溫升是影響電動(dòng)汽車整車性能的關(guān)鍵因素。

一般來(lái)講對(duì)于異步電機(jī)發(fā)熱后最有可能因?yàn)榻^緣損壞的是定子繞組[5]，由于電機(jī)定子繞組溫升由定子繞組溫度和冷卻介質(zhì)溫度決定。冷卻介質(zhì)溫度可以通過(guò)溫度傳感器較容易，本文重點(diǎn)研究定子繞組平均溫度的檢測(cè)。

1 傳統(tǒng)定子繞組溫度檢測(cè)方法

主要的傳統(tǒng)溫度檢測(cè)方法為：溫度傳感器直接采集法和電阻外推法。

1.1 溫度傳感器直接采集法

此方法為：在電機(jī)定子繞組表面裝設(shè)溫度傳感器直接采集溫度。此方法直接而簡(jiǎn)單，但對(duì)采樣點(diǎn)要求很高，采樣點(diǎn)溫度也不能反應(yīng)繞組溫平均溫度；除此之外，裝配在電機(jī)內(nèi)部的溫度傳感器不易計(jì)量，第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)不能使用這個(gè)方法進(jìn)行溫度檢測(cè)。故國(guó)家檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)[6～7]中采用另一個(gè)方法。

1.2 電阻外推法

此方法依據(jù)定子繞組材料的電阻跟溫度的關(guān)系，間接檢測(cè)平均溫度。這種方法不涉及到計(jì)量溫度傳感器，是國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[6～7]中規(guī)定的檢測(cè)方法，較適合第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)使用。

對(duì)于銅繞組的情況，電機(jī)繞組斷能瞬間的平均溫度θ為式（1）所示。

式中：Rc為繞組冷態(tài)直流電阻；R0為斷能時(shí)電阻（通過(guò)斷能后電阻與時(shí)間曲線外推到斷能時(shí)刻得到）；θc為斷能時(shí)冷卻介質(zhì)的溫度(℃) 。

但此方法無(wú)法在線監(jiān)控電機(jī)定子繞組溫度；并且，在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)上進(jìn)行外推，相當(dāng)于用半對(duì)數(shù)坐標(biāo)去擬合實(shí)際的溫度與電阻曲線，這樣的擬合與實(shí)際也會(huì)有一定的偏差。

鑒于以上兩種方法存在的問(wèn)題，亟需研究一種針對(duì)電動(dòng)汽車用異步電機(jī)的定子繞組在線式平均溫度檢測(cè)方法。

2 基于自適應(yīng)系統(tǒng)的溫度檢測(cè)方法

本文采用方法仍利用異步電機(jī)定子繞組的電阻與溫度的關(guān)系間接檢測(cè)溫度，在國(guó)標(biāo)方法的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)平均溫度。

首先根據(jù)異步電機(jī)原理[8]，把電機(jī)三相電壓電流轉(zhuǎn)換到α、β坐標(biāo)上。

式中：iA、iB、iC為三相電流；uA、uB、uC為三相電壓；θ為轉(zhuǎn)子位置，可以根據(jù)旋轉(zhuǎn)變壓器信號(hào)轉(zhuǎn)換得到；uα、uβ為定子電壓的α、β分量，lα、lβ為定子電流的α、β分量。

定子電壓方程：

式中：ψα、ψβ為定子磁鏈的α、β分量，Rs為定子電阻，p為微分算子。

轉(zhuǎn)子電壓方程：

式中：為轉(zhuǎn)子電流的α、β分量，為轉(zhuǎn)子磁鏈的α、β分量，ω為電機(jī)轉(zhuǎn)速。

根據(jù)異步電機(jī)原理[8]整理后得到電壓模型：

同時(shí)得到電流模型：

式中：Ls為定子自感，Lr為轉(zhuǎn)子自感，Lm為定轉(zhuǎn)子互感，ω為電機(jī)旋轉(zhuǎn)角速度。

以上是系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，自適應(yīng)系統(tǒng)可分為前饋和反饋，當(dāng)前饋部分和反饋環(huán)節(jié)滿足一定的條件[9]，自適應(yīng)參數(shù)辨識(shí)是收斂的。滿足此條件的自適應(yīng)算法為：

式中：為待辨識(shí)參數(shù)，為待辨識(shí)參數(shù)的初始值， K1、K2為比例、積分系數(shù)，τ為積分變量，ε為誤差。

式（7）中不含定子電阻，而式（6）中含有待辨識(shí)變量，采用自適應(yīng)辨識(shí)方法[10]，以電流模型為參考模型，電壓模型為可調(diào)模型，利用兩個(gè)模型輸出轉(zhuǎn)子磁鏈的誤差構(gòu)成自適應(yīng)律，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)可調(diào)模型的定子電阻，以達(dá)到可調(diào)模型跟蹤參數(shù)模型的目的。根據(jù)式（8）可以得到下圖1中的自適應(yīng)算法。

式中：

自適應(yīng)律如下圖1所示。

圖1 自適應(yīng)律

利用異步電機(jī)定子繞組的電阻與溫度的關(guān)系，可得到定子繞組溫度。

3 溫升檢測(cè)裝置及試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 溫升檢測(cè)裝置

從檢測(cè)方法可知，檢測(cè)裝置需要實(shí)時(shí)采集三相電壓、三相電流、電機(jī)轉(zhuǎn)速，把采集數(shù)據(jù)傳輸給自適應(yīng)算法，自適應(yīng)系統(tǒng)得到定子電阻，根據(jù)電阻與溫度的關(guān)系，進(jìn)而得到定子繞組的溫度，減去冷卻介質(zhì)溫度，最終得到實(shí)時(shí)溫升。裝置原理圖如圖2所示。

圖2 裝置原理圖

采用高精度高速霍爾傳感器，把三相電流轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)傳輸給示波記錄儀，同時(shí)把三相線電壓信號(hào)、電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)傳輸給示波記錄儀，示波記錄儀通過(guò)以太網(wǎng)通信，把數(shù)據(jù)傳輸給算法處理計(jì)算機(jī)。

當(dāng)然在試驗(yàn)之前，把電機(jī)系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)輸入算法處理計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)自動(dòng)生成此電機(jī)的自適應(yīng)律。再根據(jù)實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)，辨識(shí)得到定子繞組的電阻。根據(jù)定子電阻間接得到定子繞組溫度，又根據(jù)冷卻介質(zhì)的溫度，最終得到溫升。

3.2 溫升試驗(yàn)驗(yàn)證

利用某廠家的一套75kW的驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，電機(jī)參數(shù)如下表1所示。

表1 電機(jī)參數(shù)

圖3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)圖

把此電機(jī)放在專用的負(fù)載臺(tái)架上，連接好本文所述的溫升檢測(cè)裝置，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證裝置的可行性，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)照片如圖3所示。

通過(guò)圖3所示的臺(tái)架試驗(yàn)，溫升檢測(cè)裝置檢測(cè)到的溫升與溫度傳感器直接采集法得到的溫升進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖 4所示。

圖4 對(duì)比結(jié)果圖

4 結(jié)論

基于自適應(yīng)系統(tǒng)的溫升在線檢測(cè)裝置可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車用異步電機(jī)平均溫升的在線檢測(cè)。這種方法克服了傳統(tǒng)溫度檢測(cè)裝置的不足，可作為電動(dòng)汽車用異步電機(jī)的溫升檢測(cè)的輔助手段。為電動(dòng)汽車用異步電機(jī)溫升的檢測(cè)提供了工具。

參考文獻(xiàn)

[1] 王丹,續(xù)丹,曹秉剛.電動(dòng)汽車關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展綜述[J].中國(guó)工程科學(xué),2013（01）∶68-72.

[2] 李振,康玉茹.小型電動(dòng)機(jī)溫升的研究[J].山東工業(yè)技術(shù),2014 (04) ∶58-58.

[3] 朱立圣.溫度控制器在電動(dòng)機(jī)溫升保護(hù)中的應(yīng)用[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī),2010 (23) ∶109-110.

[4] 王再宙,焦仁普,張承寧.電動(dòng)車用電動(dòng)機(jī)溫升試驗(yàn)研究[J].微電機(jī),2008 (12) ∶60-62.

[5] 王再宙,張春香,呂鋒.混合動(dòng)力電動(dòng)客車電機(jī)系統(tǒng)連續(xù)電動(dòng)溫升及高效區(qū)研究[J].微電機(jī),2010 (43) ∶47-49.

[6] GB/T 18488.1-2015.電動(dòng)汽車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng) 第 1部分∶技術(shù)條件[S].北京∶中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2015.

[7] GB/T 18488.2-2015.電動(dòng)汽車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng) 第 2部分∶試驗(yàn)方法[S].北京∶中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2015.

[8] 秦廣煒.三相異步電動(dòng)機(jī)仿真及在高效再制造中的應(yīng)用研究[D].廣西大學(xué),2016∶59-68.

[9] 陳復(fù)揚(yáng).自適應(yīng)控制[M].北京∶科學(xué)出版社有限責(zé)任公司.20l5∶78-113.

[10] 楊燕,曹建光,田志宏.交流電機(jī)模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)的仿真[J].電氣傳動(dòng),2007 37 (5) ∶13-15.