新能源汽車高功率密度動力總成研究

尚巍，狄松茂，黃富平，王經(jīng)偉

（1.上海齊騰驅(qū)動技術(shù)有限公司，上海 201208；2.上海電驅(qū)動股份有限公司，上海 201208；3.蔚來汽車，上海 201208；4.伊頓車輛集團，上海 201208）

0 引言

傳統(tǒng)新能源汽車動力總成部分，基本上都切換到PMSM（永磁同步電機）了，如何提高功率密度，現(xiàn)階段有如下幾個途徑：①電機本體方面，主要是優(yōu)化磁路并使用更強的磁性材料；②驅(qū)動器方面，主要是優(yōu)化硬件設(shè)計，比如使用SiC之類新型器件；③軟件方面，主要是優(yōu)化算法，比如使用7段SVPWM以及三次諧波注入等降低發(fā)熱進而提高功率密度；④整體方面，主要是優(yōu)化結(jié)構(gòu)，比如一體化設(shè)計、優(yōu)化水道設(shè)計甚至采用油冷噴濺等技術(shù)。

但是，這些只能是一種優(yōu)化而不可能有本質(zhì)的改變，特別是低速大扭矩和高速高效率的矛盾無法解決。為了兼顧低速大扭矩的要求，傳統(tǒng)PMSM在高速階段不得不進入弱磁甚至是深度弱磁，通過額外的消弱永磁體的磁性實現(xiàn)基頻以上的運行，這種工作狀態(tài)下電機的效率是非常低的，為了滿足高速輸出功率的要求不得不加大電機設(shè)計余量，也就是大大降低了功率密度[1-2]。

1 高功率密度的分析與提升

根據(jù)多年的研究，不僅僅按照傳統(tǒng)PMSM的控制方式使用磁場做功，還使用了常常被忽略的磁阻部分做功，這樣在現(xiàn)有整體構(gòu)架不變的前提下，通過對電機本體結(jié)構(gòu)的細(xì)微改變以及新型控制算法就解決了此問題。實際測試數(shù)據(jù)表明，經(jīng)過這些改變，電動機啟動扭矩增加了20%，功率密度增加了10%以上，高速效率提升8%以上，目前這些技術(shù)已經(jīng)申請了專利并受到法律保護[3-4]。整個技術(shù)的難點在于，如何使用磁阻做功，以及如何自由的調(diào)整磁場做功和磁阻做功的比例。這要分兩方面來解決：軟件算法和電機本體的配合。

1.1 軟件算法

軟件算法按速度分三個階段：①電機在低速和啟動時，主要是磁場做功磁阻起到輔助作用，更像是一個傳統(tǒng)的PMSM；（②隨著轉(zhuǎn)速逐步提高，軟件上逐步的減少磁場做功的分量、增大磁阻部分的分量，這個階段像是PMSM和PMASR（同步磁阻電機）的混合體；③當(dāng)達(dá)到一個較高的轉(zhuǎn)速區(qū)間，扭矩的主要貢獻來自于磁阻做功，這個時候只需要在d軸上施加少量弱磁即可滿足傳統(tǒng)PMSM弱磁的需要，在這個階段，更像是PMASR（同步磁阻電機），因此可以取得較高效率。

1.2 電機本體配合

常見電動機的基本原理都是磁場之間作用，電磁鐵吸磁鐵的精髓其實就是讓電磁鐵形成的S極和磁鐵的N極之間形成一個夾角，進而形成扭矩。鐵的旋轉(zhuǎn)更多看和電磁鐵這條線的夾角趨于最小進而達(dá)到磁阻最小，而磁鐵的旋轉(zhuǎn)更多看電磁鐵的的極性產(chǎn)生的相吸/相斥的作用[5]。這就是磁阻轉(zhuǎn)矩電機和永磁電機最大的區(qū)別了，作用的電磁鐵的磁力線要和磁阻小的這個軸成銳角，這樣就能把鐵吸向朝著電磁鐵的磁力線重新一致的方向旋轉(zhuǎn)，也就是磁場和磁阻同時對扭矩做貢獻。圖1為虛擬合成矢量構(gòu)成示意。

一般有凸極效應(yīng)的電機中，磁阻大的是q軸，因為有磁鐵在，磁阻小的是d軸，我們要讓電機加速旋轉(zhuǎn)，還要利用一部分磁阻轉(zhuǎn)矩，這時候的控制角就要大于90°（控制角指的是定子磁矢量超前轉(zhuǎn)子d軸的角度），也就是要把定子磁矢量控制到超前q軸才有效，這樣電磁鐵就和磁阻小的d軸成銳角了。換句話說要把PMSM中“浪費”掉的那部分磁阻力矩使用上，和傳統(tǒng)FOC控制最大的區(qū)別就是d軸和q軸的夾角不是固定90°，而是一個時刻調(diào)整，角度越小磁阻部分做功比例越大，反之越小。

通過適當(dāng)設(shè)計轉(zhuǎn)子磁通屏障使轉(zhuǎn)子各向異性最大化，如圖2（a）所示。所選擇的參考系與IPM機通常采用的參考系不同，在磁通屏障內(nèi)部有足夠的空間來插入燒結(jié)的NdFeB磁體，并且通常因為磁通屏障導(dǎo)致僅部分填充。由于相關(guān)的扭矩百分比是由各向異性產(chǎn)生的，因此所采用的磁鐵量（在同樣的輸出扭矩和電機尺寸下）大大低于大多數(shù)IPM電機通常顯示的量[6]。

為了減小轉(zhuǎn)矩脈動，定子和轉(zhuǎn)子往往采取斜磁設(shè)計，由于自動批量生產(chǎn)時定子做斜磁成本較高，所以通常在轉(zhuǎn)子上進行斜磁。燒結(jié)磁體通常做成矩形，轉(zhuǎn)子疊片可以通過自動機械快速填充，因此，在定子和轉(zhuǎn)子之間獲得斜磁效應(yīng)的最好方法是將轉(zhuǎn)子分成相等長度的獨立部分，每個部分填充有永磁體。這些部分必須以適當(dāng)?shù)腻e位角度堆疊在軸上，以減少最重要的轉(zhuǎn)矩諧波，其轉(zhuǎn)子疊片有目的地設(shè)計成獲得具有低磁阻（d軸）和高磁阻（q軸）方向的方向，如圖2（b）。

以這種方式組裝的轉(zhuǎn)子可以定義為“階梯式”轉(zhuǎn)子。為了獲得與歪斜電動機可獲得的扭矩波動相當(dāng)?shù)呐ぞ夭▌樱D(zhuǎn)子必須至少分成四個部分。此外，從軸向氣隙移動，特殊設(shè)計的不同的磁鐵外形曲線，可以減少氣隙處的磁通密度諧波。因此，必須提供不同尺寸的磁體，并且需要復(fù)雜的機械定位系統(tǒng)來填充轉(zhuǎn)子，這在制造工藝上將會是一個很復(fù)雜的問題。所以，燒結(jié)磁體的一個現(xiàn)實的替代方案是使用粘結(jié)磁體（塑性稀土磁粉），即使它們的磁特性并不比燒結(jié)NdFeB磁體的磁特性好，但是也是可以滿足基本要求的，最大的好處是最終的是粘結(jié)磁體會自然的貼合空腔結(jié)構(gòu)，形成我們需要的形狀，所以可以自由設(shè)計磁通屏障的形狀以優(yōu)化轉(zhuǎn)子各向異性[7]。在注入之后，轉(zhuǎn)子必須通過適當(dāng)?shù)拇呕b置進行磁化，同時考慮到磁體必須在-q軸方向上磁化，這意味著要在最高磁阻方向上進行操作。樣機實際測試參數(shù)如圖3所示。

圖3（a）顯示了磁鏈d與id電流的關(guān)系，以iq電流為參數(shù)，而圖3（b）顯示了d與iq的關(guān)系，以iq為參數(shù)。從兩個圖中可以看出交叉飽和的影響非常明顯（額定電流幅度為峰值7A）。此外，還可以看到iq取正值或負(fù)值時交叉飽和效應(yīng)是完全不同的。當(dāng)然，在實際工作點上iq總是積極和有貢獻的，而且電機特性在整個平臺中表現(xiàn)還是很不錯的，因此可以證明磁場和磁阻都對扭矩的增加是有貢獻的。

2 結(jié)語

總之，在現(xiàn)有PMSM的技術(shù)和整個產(chǎn)業(yè)鏈基礎(chǔ)上，新能源汽車動力總成部分的功率密度要想有大的進展，傳統(tǒng)的思路是很難有所突破的，只有另辟蹊徑抓住主要矛盾，例如混合型電機來解決，這也是解決了這類問題的思路。