純電動客車驅動電機冷卻系統(tǒng)匹配及控制策略研究

趙杰

摘要：隨著我國的發(fā)展，我國的新能源已經(jīng)十分普及，新能源汽車產(chǎn)業(yè)作為我國汽車工業(yè)的發(fā)展戰(zhàn)略，能夠有效地解決日益嚴峻的能源危機與環(huán)境污染問題。純電動客車驅動電機作為汽車唯一的動力源，其可靠性直接影響著電動汽車的性能。為了防止由于溫度過高的原因使得電機永磁體產(chǎn)生退磁現(xiàn)象，甚至影響到電機及其控制器的壽命和整車安全性，驅動電機及其控制系統(tǒng)的溫度控制顯得尤為重要。因此，對純電動客車驅動電機冷卻系統(tǒng)進行合理的匹配并制定科學有效的控制策略具有重要工程實際意義。

關鍵詞：驅動電機；冷卻系統(tǒng)；策略

引言

當前，能源危機和環(huán)境污染己成為全球關注的焦點問題，世界上主要汽車生產(chǎn)國相繼出臺了一系列的純電動客車汽車發(fā)展戰(zhàn)略。純電動客車因具有零排放、低噪音等突出特點也成為各大客車生產(chǎn)商著重發(fā)展的車型。驅動電機作為純電動客車唯一的動力源，其性能和使用壽命對整車可靠性及安全性有著極為重要的影響，電機在使用過程中產(chǎn)生的熱量如果不能及時散發(fā)，會使得電機溫度急劇升高，導致電機轉子中永磁體因受熱而產(chǎn)生不可逆的退磁現(xiàn)象，降低驅動電機的性能，影響永磁同步電機的使用壽命，增加整車使用成本。同時，溫度過高還會使得電機絕緣材料發(fā)生本質(zhì)變化，失去絕緣能力。此外，電機控制器中一些電子元件和模塊如IGBT模塊、主控板、電源板等，也會因溫度過高而影響使用壽命，有時甚至會使元件燒毀。因此，設計有效的冷卻系統(tǒng)對保證驅動電機和控制器正常工作、純電動客車整車運行的安全性和可靠性都具有極為重要的實際意義。

1驅動電機熱機理分析

電機損耗與電機本體結構、材料性能、使用工況等有著密切的聯(lián)系，它主要包括基本鐵耗、基本銅耗、機械損耗、雜散損耗等。這些損耗最終轉化成熱量使電機溫度的升高。電機驅動系統(tǒng)是純電動客車各系統(tǒng)中極為重要的一個子系統(tǒng)，實現(xiàn)電能到機械能的轉化，并在制動過程中實現(xiàn)將整車動能和勢能轉換成電能存儲到動力電池組中增加續(xù)駛里程?；陔妱悠嚨氖褂霉r及運行特點，純電動汽車選用的驅動電機應具備以下條件。.1）電機須具有較高的瞬時功率和功率密度，以滿足整車動力性能需求；2）應具有較高的使用效率，以提高單次充電的續(xù)駛里程；3）應具有較高的高低速綜合性能，以滿足整車的變速工作需求；4）應具有過載能力強、啟動轉矩大、轉矩響應快、轉速范圍寬等優(yōu)點；5）震動噪音低，具有良好的NVH特性；6）可靠性強、成本較低等。永磁同步電機在新能源汽車行業(yè)有著非常廣泛的應用，利用永磁體取代轉子上的繞組，進一步提升電機性能。電機轉子的轉速與定子繞組中電流頻率始終保持一致，可以通過控制繞組中電流頻率來控制電機轉速，間接控制車速。另一個特點是高功率密度，在相同體積質(zhì)量條件下能夠提供更大的動力輸出。永磁同步電機缺點是成本高且容易受溫度影響而發(fā)生退磁，退磁后將降低電機輸出功率和使用壽命。永磁同步電機主要由轉子、定子、端蓋殼體三部分組成，轉子結構的突出特點是使用了永磁體代替轉子繞組，結構簡單，可靠性較高，定子結構有硅鋼片和銅線繞組構成。

2控制系統(tǒng)設計及控制策略制定

2.1控制系統(tǒng)設計方案

本文在綜合考慮當前己存在客車冷卻系統(tǒng)溫度控制模式的優(yōu)缺點之后，提出了基于門限值和模糊控制相結合的溫度控制方法，能夠在滿足電機及其控制溫度控制的要求下盡可能減少冷卻系統(tǒng)的能量損耗o冷卻系統(tǒng)主要是根據(jù)電機及其控制器的實時溫度T和溫度的變化率△T，進行冷卻模式的判斷，確定當前模式為門限值控制模式還是模糊控制模式。依據(jù)不同的模式確定需求的循環(huán)水泵和散熱風扇的轉速，再由相應的控制器對循環(huán)水泵和散熱風扇的轉速進行控制，根據(jù)水泵和風扇的轉速流量特性曲線，確定出相應的冷卻液流量與空氣流量，進而影響散熱器的散熱強度，改變冷卻液溫度，控制電機及其控制器的溫度在規(guī)定范圍內(nèi)。

2.2控制策略制定

本文將冷卻系統(tǒng)的工作劃分為兩種模式：門限值控制模式和模糊控制模式。冷卻系統(tǒng)依據(jù)電機溫度的變化首先進入門限值控制模式，主要對水泵和風扇進行固定轉速控制，當溫度上升到一定值后采用模糊控制模式對水泵和風扇同時控制。本文選取冷卻系統(tǒng)開啟門限值為500C，報警溫度值為750C。模糊控制模式下目標溫度值為650C；當溫度低于開啟門限值時，電機的熱量對永磁鐵的退磁影響非常小，絕緣材料也不會受到影響，為了可以減少能量消耗，冷卻系統(tǒng)可以不開啟；當溫度高于750C時，永磁體將會由于溫度過高而產(chǎn)生退磁現(xiàn)象，為保證其使用壽命，此時應報警并降低電機輸出功率，減少熱量產(chǎn)生。在門限值溫度控制模式下，循環(huán)水泵將先以低速800rpm的轉速運行，此轉速下循環(huán)水泵輸出轉矩較大，功率較小且噪聲低具有很好的NVH特性。當溫度繼續(xù)升高后，水泵轉速切換到中速1000rpm運行，以提高冷卻液流量增加散熱。冷卻系統(tǒng)工作流程主要分為：初始化設置、檢測系統(tǒng)狀態(tài)；進行冷卻條件的判斷，如果滿足冷卻系統(tǒng)開啟條件，則系統(tǒng)按照相應的控制策略對不同狀態(tài)下電機及其控制器進行溫度控制，使驅動電機和控制器溫度控制在規(guī)定范圍.首先，進行冷卻系統(tǒng)初始化設置，并根據(jù)各種傳感器信號及系統(tǒng)狀態(tài)識別系統(tǒng)是否能夠正常工作，如不能正常工作系統(tǒng)會自動進行故障診斷并報警。然后，通過溫度傳感器進行溫度信號T的實時采集，經(jīng)數(shù)字濾波處理后，計算采樣溫度值的變化值dT。當T>500C時，冷卻系統(tǒng)進入門限值控制模式，當500C0時或水泵以中速1000rpm運行，散熱風扇低速800rpm運行；600C750C時，表明電機及其控制器溫度過高，冷卻系統(tǒng)不能滿足散熱需求，此時系統(tǒng)將向駕駛員發(fā)出冷卻系統(tǒng)溫度報警并統(tǒng)計持續(xù)時間t，同時降低電機輸出功率，循環(huán)水泵和散熱風扇以最高轉速運行。當持續(xù)五分鐘后采取停車措施。

2.3模糊控制器設計

模糊控制原理的核心部分為模糊控制規(guī)則的制定，在設計模糊控制器時要完成以下工作精確量的模糊化：將精確的物理量轉化成相應的語言變量模糊集合，其中模糊集合的取值范圍成為模糊論域化因子及比例因子的確定、。模糊化的工作還需要包括輸入輸出變量論域的選擇、量模糊語言子集隸屬函數(shù)的選取等；模糊推理與決策：模糊推理是以模糊判斷為前提，以模糊條件為基礎，通過模糊語言規(guī)則來推理出一個模糊結果的方法。

結語

驅動電機作為純電客車唯一的動力源，其可靠性直接影響著整車的可靠性。驅動電機及其控制系統(tǒng)在使用過程中所產(chǎn)生的熱量如果不能及時散出，將會對電機的使用性能產(chǎn)生不良影響，甚至影響電機使用壽命及整車安全性。

參考文獻

[1]姚望，韓雪巖，唐任遠.車用永磁同步電機熱計算的分析與研究[C]刀2012中國·西安微特電機及永磁電機技術創(chuàng)新與發(fā)展論壇.2012.

[2]樂智.純電動汽車電機驅動系的冷卻系統(tǒng)設計與研究[[D].河北工業(yè)大學，2011.

[3]馬書新.純電動客車動力系統(tǒng)設計及其相關技術研究[[D].沈陽工業(yè)大學，2017.

[4]徐衍亮.電動汽車用永磁同步電動機及其驅動系統(tǒng)研究[[D].沈陽工業(yè)大學，2001.

（作者身份證號碼：321322199004106816）