永磁同步電機(jī)相關(guān)整車應(yīng)用特性的研究

何浩

摘 要：在純電動汽車動力性經(jīng)濟(jì)性仿真分析時，需要導(dǎo)入試驗室測得的電機(jī)效率MAP與外特性參數(shù)。但在設(shè)計開發(fā)階段，電機(jī)的參數(shù)是待確定量，只有電機(jī)選型確定以后，才能進(jìn)入仿真階段。本文通過研究普通永磁同步電機(jī)的MAP及其外特性的規(guī)律，找到一種用少量參數(shù)近似估算實際電機(jī)MAP與其外特性的方法，以滿足電動汽車在設(shè)計開發(fā)階段的需求。

關(guān)鍵詞：電機(jī)MAP；電機(jī)外特性；動力性經(jīng)濟(jì)性設(shè)計

中圖分類號：TM301.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1005-2550（2018）04-0035-05

Abstract： In the simulation analysis of the power performance of the pure electric vehicle， the motor efficiency MAP and the external characteristic parameters measured in the laboratory should be imported. But in the design and development stage， the motor parameters are to be assured quantitative， only after the motor type is determined， can enter the simulation stage. In this paper， through the research of common permanent magnet synchronous motor MAP and its external characteristic rules， find an approximate method to estimate the actual motor MAP and its behavior with a small amount of parameters， in order to meet the demand for electric vehicles in the design and development stage.

Key Words： MAP motor； motor characteristics； dynamic economic design

前 言

電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)是電動車發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。由于永磁同步電機(jī)具有功率密度大、功率因數(shù)大、效率高等優(yōu)點，已成為電驅(qū)動技術(shù)發(fā)展中的一個重要研究方向。隨著研究的不斷深入和電機(jī)性能的提高以及車載能源技術(shù)和動力控制系統(tǒng)的近一步發(fā)展，永磁同步電機(jī)將會有更廣闊的應(yīng)用前景[1]。

電機(jī)效率MAP 圖（又叫等高線圖、云圖）是電機(jī)測試時生成的一種數(shù)據(jù)曲線圖，主要是反映在不同轉(zhuǎn)速、扭矩下的電機(jī)效率分布情況，在電動汽車用永磁電機(jī)的設(shè)計中，電機(jī)的效率分布區(qū)域以及高效區(qū)占總運行區(qū)域的比例非常重要[2]。內(nèi)置式永磁同步電機(jī)及其控制器作為電動汽車的動力源，它的系統(tǒng)效率MAP及外特性直接關(guān)系到整車的運行性能：效率MAP關(guān)系到整車的能耗；外特性的峰值轉(zhuǎn)矩關(guān)系到整車的加速性能；外特性的堵轉(zhuǎn)扭矩關(guān)系到整車的起步性能[3]。

目前，研究永磁同步電機(jī)MAP與電機(jī)外特性的方向主要有理論推導(dǎo)[4]、仿真分析[5]、試驗測試[6，7]三種方法。在新能源汽車行業(yè)中，獲取電機(jī)MAP與外特性參數(shù)后，主要應(yīng)用于整車動力性經(jīng)濟(jì)性仿真與匹配設(shè)計[8]。

本文的研究方向是：探索永磁同步電機(jī)的MAP及其外特性的普遍規(guī)律，使用若干個近似表達(dá)MAP與外特性的參數(shù)，構(gòu)建電機(jī)的黑箱模型。只關(guān)注機(jī)械能與電能的總輸入輸出，不關(guān)注電機(jī)內(nèi)部漏磁損耗與銅損耗等細(xì)節(jié)。該模型應(yīng)用于電動汽車設(shè)計早期的電機(jī)初步選型工作中。

1 永磁同步電機(jī)MAP與外特性現(xiàn)有描述方式簡介

目前，中國的新能源電動汽車主要使用永磁同步電機(jī)，而美國歐洲則使用異步電機(jī)。由于我國掌握豐富的稀土資源，材料成本較低，且永磁同步電機(jī)能量密度與效率方面都表現(xiàn)優(yōu)異。因此，本文主要研究永磁同步電機(jī)的效率MAP及其外特性。

本文通過對某款電機(jī)的MAP及其外特性試驗結(jié)果進(jìn)行研究，獲得參數(shù)化電機(jī)MAP與外特性表述方法。本文試驗數(shù)據(jù)來源于浙江合眾新能源汽車有限公司試驗室。

1.1 永磁同步電機(jī)MAP

永磁同步電機(jī)效率比較高，通常的參數(shù)化表述為：在其工作區(qū)域中，效率≥90%的區(qū)域面積占總工作區(qū)域面積的85%以上。最高效率點高達(dá)95%～97%.試驗設(shè)計中，測試每個轉(zhuǎn)速與扭力的輸出下，對應(yīng)的電機(jī)系統(tǒng)效率。獲得的參數(shù)表如表1所示，包含驅(qū)動與發(fā)電兩部分MAP數(shù)據(jù)。

因為實驗資源有限，而電機(jī)MAP變化率并不劇烈，因此，通常每隔500～1000rpm，每隔10～20Nm測試一個點，形成離散分布的MAP數(shù)據(jù)表，再通過數(shù)據(jù)插值處理，制作成登高線圖，不同的差值方法會對精度有一些影響，兼顧精度與濾波，本文使用局部最小二乘法二次曲面擬合插值。MAP數(shù)據(jù)表處理結(jié)果如圖1所示。

1.2 永磁同步電機(jī)外特性

通常情況下，電動汽車行業(yè)關(guān)心的永磁同步電機(jī)的外特性主要有三個：最大扭力Tmax，最大功率Pmax，最大轉(zhuǎn)速nmax。理論上電機(jī)的外特性在n-T-η圖中，是一段直線段與一段反比例函數(shù)線，而實驗室測得的電機(jī)外特性則稍有波動。

2 永磁同步電機(jī)外特性參數(shù)化描述

在純電動汽車領(lǐng)域，我們分析永磁同步電機(jī)的外特性時，不僅關(guān)心其峰值轉(zhuǎn)速、峰值功率、峰值扭力，還要在允用5min過載線考核汽車的長爬坡能力，允用30min過載線考核汽車的30min最高車速，額定功率過載線考核汽車的持續(xù)工作能力。

2.1 瞬時輸出外特性

表現(xiàn)汽車動力性參數(shù)最關(guān)鍵的指標(biāo)是100km/h加速時間或者50km/h加速時間。加速時間除了與車輪滾阻、汽車外形特征決定的空氣阻力、汽車的車身重量等阻力因素有關(guān)之外，最關(guān)鍵的是電動機(jī)的外特性表現(xiàn)。粗略的電動汽車外特性是由一段恒扭力與一段恒功率來描述，但實際的外特特性，則在最高車速時，輸出的功率與峰值功率之間有一個比值，電機(jī)輸出的功率是逐漸下降而在最后趨于平穩(wěn)的過程。為此，在計算汽車加速時間時，需要對電機(jī)的峰值功率恒功率段曲線修正，將恒功率段修正為二次函數(shù)，如圖2所示，修正系數(shù)如下：

解（1）式獲得待定系數(shù)，對應(yīng)于圖2、圖3中的修正外特性，如圖中點劃線所示。

電機(jī)峰值功率與最高轉(zhuǎn)速下的最大功率的比值通常在0.6～0.99之間，本文稱之為峰值功率修正系數(shù)rmax。如圖1所示的修正加速性能理論線，修正系數(shù)取值為0.9。

2.2 允用5min與30min輸出與額定輸出外特性

永磁同步電機(jī)隨著工作功率的增加，發(fā)熱量也會增加。峰值功率通常只能過載30s，之后會因為電機(jī)過熱而被限制功率。而汽車爬長坡時，通常使用5min功率過載線；汽車能夠持續(xù)30min平均的最高車速，使用電機(jī)允用30min過載線。標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 18385-2005 電動汽車動力性能試驗方法》規(guī)定了汽車爬坡能力與30min最高車速的試驗方法[9]。

這幾條特性與電機(jī)的峰值功率特性之間存在近似比值的關(guān)系：峰值功率>修正峰值功率>允用5min過載線>允用30min過載線>額定功率線。如圖2、圖3所示。

各系數(shù)取值范圍、定義及動力性設(shè)計時默認(rèn)取值如表2所示：

3 永磁同步電機(jī)MAP及其參數(shù)化

永磁同步電機(jī)的MAP特性與眾多因素有關(guān)，包括硅鋼片的疏密度、永磁材料的電磁特性、電機(jī)本身的扁平率等等。精細(xì)化的永磁同步電機(jī)設(shè)計通常使用有限元電磁仿真方法，在電機(jī)測試臺架上驗證。但在電機(jī)正向開發(fā)設(shè)計階段，電機(jī)的MAP特性只能根據(jù)已有經(jīng)驗做估算。估算方法主要有平均效率法和比例縮放MAP法。

3.1 平均效率法

電機(jī)MAP在仿真中主要應(yīng)用于電動汽車?yán)m(xù)駛里程的計算，該續(xù)駛里程通常以NEDC工況作為參考。如圖4所示某汽車在NEDC工況下在電機(jī)MAP上的取值。

計算得η=88.85%，即為永磁同步電機(jī)等效MAP的平均效率。

3.2 比例縮放MAP法

圖1是典型的永磁同步電機(jī)效率MAP圖，對于不同的電機(jī)，最高轉(zhuǎn)速與峰值功率將有所變化，但效率MAP分布規(guī)律總是接近于圖1所示分布。最高效率的區(qū)域位置將由電機(jī)設(shè)計者通過電機(jī)的凸極率、磁夾角等參數(shù)做微調(diào)。為此，可以近似認(rèn)為，不同永磁同步電機(jī)MAP分布是按照圖1所示沿著轉(zhuǎn)速方向與扭力方向等比例縮放的。例如，某款電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速是8000rpm，峰值功率是60kW，通過等比例縮放，得其MAP與外特性如圖5所示：

4 參數(shù)化數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)對比

永磁同步電機(jī)的MAP與外特性有三種途徑獲得，不同途徑在電機(jī)設(shè)計開發(fā)階段有著不同的作用。其精度及結(jié)果獲取的便捷性對比如表3所示。

在浙江合眾新能源汽車有限公司試驗室中，測得某款電機(jī)選型階段所選擇的參數(shù)與實測參數(shù)對比如表4所示。

5 結(jié) 論

本文通過研究永磁同步電機(jī)的MAP以及外特性，提出了一種對不同永磁同步電機(jī)實現(xiàn)參數(shù)化描述的方法。并提供了這些參數(shù)的建議取值范圍與通用默認(rèn)值。該方法應(yīng)用于電動汽車初步設(shè)計時對電機(jī)的初步選型。

參考文獻(xiàn)：

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[9]GB/T 18385-2005 電動汽車動力性能試驗方法.