電機零位對電動汽車能耗影響研究

馬愛國， 周秉福， 趙梓君， 張 鑫

(比亞迪汽車工業(yè)有限公司， 廣東 深圳 518118)

永磁同步電機轉(zhuǎn)子的位置信息直接影響著電機轉(zhuǎn)矩、速度控制的精度和動態(tài)性能[1-4]。因此需要位置傳感器來獲得電機轉(zhuǎn)子的準(zhǔn)確位置，通常用旋轉(zhuǎn)變壓器實現(xiàn)。但永磁同步電機和旋轉(zhuǎn)變壓器的制作和安裝誤差通常使得旋轉(zhuǎn)變壓器的零位角與永磁同步電機的零位角存在偏差(即電機的零位初始角)，如果偏差過大，將直接影響電機的控制效果和運行效率，導(dǎo)致整車出現(xiàn)能耗大、噪聲大、無動力輸出等問題[5]。

本文通過對比分析基準(zhǔn)零位與偏差零位(即零位不準(zhǔn))對整車能耗的影響，自主研發(fā)電機零位標(biāo)定功能，從而提高電動汽車的控制效果和運行效率，實現(xiàn)高精度的扭矩控制[6-13]。

1 電機零位對電動汽車能耗影響研究

通過上位機分別標(biāo)定電動汽車的基準(zhǔn)零位值與偏差零位值，并對比分析功率、扭矩等數(shù)據(jù)的差異。

1.1 臺架能耗測試數(shù)據(jù)

在基準(zhǔn)零位值的基礎(chǔ)上修改零位值，并將零位值標(biāo)定入控制器中，測試不同零位對應(yīng)的電機性能。

1)基準(zhǔn)零位測試數(shù)據(jù)?；鶞?zhǔn)零位正向驅(qū)動轉(zhuǎn)速、扭矩、功率測試結(jié)果：峰值扭矩為576.6 Nm，峰值功率為147.4 kW?；鶞?zhǔn)零位反向驅(qū)動轉(zhuǎn)速、扭矩、功率測試結(jié)果：峰值扭矩為566.5 Nm，峰值功率為147.3 kW。

2)偏差零位測試數(shù)據(jù)。在基準(zhǔn)零位值基礎(chǔ)上修改零位值(-20字節(jié)、-40字節(jié)、-60字節(jié)，+20字節(jié)、+40字節(jié)、+60字節(jié))，并記錄正向驅(qū)動、反向驅(qū)動的峰值扭矩及峰值功率數(shù)據(jù)。對比可知，在基準(zhǔn)零位的基礎(chǔ)上偏差字節(jié)越大，電機發(fā)揮的性能越差。測試數(shù)據(jù)見表1和表2。

表1 基準(zhǔn)零位負(fù)偏差字節(jié)測試數(shù)據(jù)

表2 基準(zhǔn)零位正偏差字節(jié)測試數(shù)據(jù)

通過上位機標(biāo)定基準(zhǔn)零位值與偏差零位值后的功率、扭矩數(shù)據(jù)對比表明(如圖1所示)：同轉(zhuǎn)速下，原始零位電機的峰值扭矩和峰值功率更大；零位偏差會導(dǎo)致電機的峰值功率、峰值扭矩降低，進而影響電機的控制效果和運行效率，導(dǎo)致整車出現(xiàn)能耗大等問題。

圖1 不同零位驅(qū)動轉(zhuǎn)速扭矩曲線

1.2 實車能耗測試

為驗證零位誤差對整車能耗的影響，特選取我司2輛電動客車，并按照國標(biāo)要求進行能耗測試。

用上位機按照表3標(biāo)定實際電機零位，并與程序默認(rèn)零位(未標(biāo)定)進行能耗測試對比。通過實車測試數(shù)據(jù)可知：標(biāo)定電機零位后， 4#車的百公里能耗比未標(biāo)定的節(jié)省約1.02%，1#車的百公里能耗比未標(biāo)定的節(jié)省約1.26%。

表3 電機零位值

綜上，通過電機零位標(biāo)定上位機將電機的基準(zhǔn)零位標(biāo)定到電機控制器中，可提高電動汽車的控制效果和運行效率，從而降低整車能耗，提高電動汽車的續(xù)駛里程。

2 電機零位標(biāo)定方法及應(yīng)用

2.1 電機零位標(biāo)定系統(tǒng)要求

永磁同步電機轉(zhuǎn)子的零位就是轉(zhuǎn)子磁場方位的計量參考點，如果參考點誤差過大，將直接影響電機的控制效果和運行效率。本電機零位標(biāo)定系統(tǒng)目的是將電機的基準(zhǔn)零位通過上位機標(biāo)定到電機控制器中，提高了電機零位的準(zhǔn)確性，從而提高了電機的運行效率；并且車輛是在靜止?fàn)顟B(tài)下標(biāo)定，防止因整車電機軸處于轉(zhuǎn)動狀態(tài)，電機轉(zhuǎn)動的慣性和摩擦力增大，導(dǎo)致標(biāo)定的零位不準(zhǔn)。電機零位標(biāo)定系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 電機零位標(biāo)定系統(tǒng)示意圖

電機的零位參數(shù)通過條形碼的形式體現(xiàn)在標(biāo)簽中，電機在供貨的時候需要提供2個標(biāo)簽，一個貼在電機的最明顯處，另外一個用于隨車信息(封裝袋之類)，便于電機零位標(biāo)定。

電機的條形碼必須涵蓋以下信息：電機的安裝位置、電機的型號、電機的序列號、電機零位、校驗值，如圖3所示。

圖3 電機零位標(biāo)定參數(shù)圖

2.2 電機零位標(biāo)定方法

1) 電機零位標(biāo)定流程。通過掃碼槍，獲取電機條形碼零位信息并傳輸給上位機或VDS 電腦，對電機零位進行標(biāo)定，程序會將獲取到的電機零位與基準(zhǔn)零位進行比較，二者相差范圍在±50內(nèi)(包含50)，則認(rèn)為此零位正確，并將其寫入e2芯片，供驅(qū)動程序使用，且斷電后零位不被擦除；若二者相差范圍大于50，則認(rèn)為該零位不正確，不將該零位寫入e2芯片，程序使用默認(rèn)的基準(zhǔn)零位。

2) 電機零位標(biāo)定注意事項。在動力總成出廠檢測前(電機、電控、減速器集成方案)，車輛剛下線時(電機、電控分開方案)，更換電機或者更換控制器時(售后)，均需要進行電機零位標(biāo)定。

2.3 電機零位標(biāo)定功能在滑行測試中的應(yīng)用

1) 滑行試驗應(yīng)用電機零位功能背景。新能源客車滑行阻力測試時，測試方時常會反饋測試結(jié)果不理想，相較于退電至OFF擋滑行，切換至N擋滑行時的阻力偏大。但退電至OFF擋滑行時，車輛高低壓電會同時斷開，導(dǎo)致控制器無法正常卸載關(guān)波，電機控制器不能自我保護，特別是在車速較高時如果退電至OFF擋滑行，由于反電動勢較大，極易導(dǎo)致電機控制器損壞。

2) 電機零位對滑行試驗影響測試。為了探尋切換至N擋滑行阻力大的原因，杜絕因滑行方法不當(dāng)影響測試結(jié)果甚至損壞電機控制器，特在滑行測試前通過上位機分別標(biāo)定不同零位值，并與退電至OFF擋滑行的數(shù)據(jù)相比較，需要研究電機零位對整車滑行阻力及能耗的影響。測試數(shù)據(jù)如圖4所示。

圖4 滑行阻力測試數(shù)據(jù)圖

從圖4中可以看出：標(biāo)定基準(zhǔn)零位后，滑行阻力與退電至OFF擋斷電滑行時的數(shù)據(jù)基本一致，效果最好；相反，零位偏差較大，即零位不準(zhǔn)，滑行阻力與退電至OFF擋斷電滑行時的數(shù)據(jù)相差甚大。通過電機零位標(biāo)定不準(zhǔn)使電機無法實現(xiàn)高精度的扭矩控制，會對整車滑行阻力及能耗造成影響。通過電機零位標(biāo)定，可使車輛滑行阻力測試效果更優(yōu)，能耗更低。

通過將電機零位標(biāo)定到電機控制器中，可實現(xiàn)高精度的扭矩控制，降低整車能耗，且此電機零位標(biāo)定功能適用于所有電動汽車。

3 結(jié)束語

比亞迪于2018年成功研發(fā)了電機零位標(biāo)定技術(shù)，通過電機零位標(biāo)定上位機將電機的基準(zhǔn)零位標(biāo)定到電機控制器中，可使電動汽車更好地發(fā)揮電機效率，從而能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的扭矩控制，降低了整車能耗，提高了電動汽車的續(xù)航里程。此技術(shù)已經(jīng)在C系、K系國內(nèi)及海外的新能源電動客車上廣泛應(yīng)用。