電壓變化對(duì)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)性能的影響分析

徐亞美，苗 強(qiáng)，任憲豐，李 強(qiáng)，王 凡

(濰柴動(dòng)力股份有限公司，濰坊 261061)

0 引 言

永磁同步電機(jī)具有高功率密度、高可靠性、高效率等優(yōu)點(diǎn)，隨著電機(jī)控制和電力電子技術(shù)的提高，電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)調(diào)速和響應(yīng)等性能表現(xiàn)優(yōu)異，已經(jīng)成為驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域應(yīng)用的主流選擇。新能源汽車多以電池作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)的電源，運(yùn)行過(guò)程中電池電壓一直處于波動(dòng)狀態(tài)，尤其在急加速或者制動(dòng)能量回收過(guò)程中電池電壓會(huì)有較大的波動(dòng)；因電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可在較廣的電壓輸入范圍下工作，普遍存在同一型號(hào)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)匹配不同的電池電壓平臺(tái)的現(xiàn)象。

文獻(xiàn)[1]研究了電壓變化對(duì)永磁同步電機(jī)起動(dòng)扭矩、起動(dòng)電流的影響和對(duì)穩(wěn)定運(yùn)行過(guò)程中電機(jī)效率的影響，但只分析了線性變化的電壓對(duì)性能的影響。文獻(xiàn)[2]研究比較了可實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)直流母線電壓和固定值母線電壓時(shí)SVPWM控制輸出的線電壓波形、相電流波形及電流諧波，沒(méi)有從電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)層面分析母線電壓對(duì)性能的影響及機(jī)理。文獻(xiàn)[3]研究了直流母線電壓的選擇對(duì)電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)、過(guò)載能力和電機(jī)控制性能的影響，但該研究只進(jìn)行了靜態(tài)電壓的影響分析。

為此，本文從靜態(tài)不同電壓平臺(tái)和動(dòng)態(tài)電壓變化兩個(gè)方面分析研究電池電壓對(duì)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)性能的影響。首先，以數(shù)學(xué)模型方法分析電壓對(duì)輸出扭矩、電機(jī)及控制器損耗、外特性轉(zhuǎn)折點(diǎn)等方面的性能影響，然后基于Simulink仿真分析動(dòng)態(tài)變化的電壓的影響，最后通過(guò)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證本理論分析的正確性。

1 靜態(tài)電壓影響分析

1.1 對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩的影響

永磁同步電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩[4]和電壓的關(guān)系如下：

(1)

式中:m為相數(shù)；p為電機(jī)極對(duì)數(shù)；E0為空載反電動(dòng)勢(shì)；U為電壓；ω為電角速度；Xd為直軸同步電抗；Xq為交軸同步電抗；θ為位置角。

式(1)等號(hào)右邊第一項(xiàng)為永磁轉(zhuǎn)矩，增加電壓可以提高永磁轉(zhuǎn)矩的幅值；第二項(xiàng)為磁阻轉(zhuǎn)矩，與電壓平方成正比，磁阻轉(zhuǎn)矩幅值增大，電機(jī)的功率密度和過(guò)載能力也會(huì)提高。

1.2 對(duì)轉(zhuǎn)折速度的影響

永磁同步電機(jī)廣泛采用矢量控制，電機(jī)相電壓極限值受控制器直流側(cè)電池電壓限制，電流極限值受電機(jī)所能承受最大電流和控制器所能輸出最大電流限制。

在永磁同步電機(jī)恒轉(zhuǎn)矩區(qū)，采用較多的控制策略為最大轉(zhuǎn)矩/電流控制，即單位電流輸出最大轉(zhuǎn)矩的控制。當(dāng)電機(jī)電壓和電流均達(dá)到極限值時(shí)，可得到電機(jī)的轉(zhuǎn)折速度[4]和電壓的關(guān)系如下：

(2)

從式(2)可以看出，適當(dāng)提高直流母線電壓都可以提高電機(jī)的轉(zhuǎn)折速度。

1.3 對(duì)電機(jī)效率的影響

永磁同步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)包括4項(xiàng)損耗分別為：定子繞組電阻損耗、鐵心損耗、機(jī)械損耗和雜散損耗。定子繞組電阻損耗與電流的平方成正比，常規(guī)公式如下:

(3)

輸出同樣功率，電壓越高，電流越小，則電機(jī)損耗越小。

永磁同步電機(jī)雜散損耗目前還沒(méi)有一個(gè)準(zhǔn)確實(shí)用的計(jì)算公式，一般均根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取定。當(dāng)定子相電流為I1時(shí)，電機(jī)的雜散損耗可用下式近似計(jì)算[4]：

(4)

式中:IN為電機(jī)額定相電流；psN為電機(jī)輸出額定功率時(shí)的雜散損耗。

當(dāng)電流增大時(shí)，雜散損耗以與電流近似平方的關(guān)系遞增。

永磁同步電機(jī)的工作溫度、負(fù)載變化會(huì)引起永磁體工作點(diǎn)的改變,從而導(dǎo)致鐵耗的變化。電機(jī)溫度越高，負(fù)載越大，定子齒、軛部的磁密越小，鐵耗就越小。機(jī)械損耗與所采用的軸承、潤(rùn)滑劑和電機(jī)裝配質(zhì)量等有關(guān)，可由實(shí)測(cè)獲得。

1.4 對(duì)電機(jī)控制器效率影響

電機(jī)控制器的損耗主要是功率模塊IGBT模組損耗，IGBT模組由IGBT模塊和續(xù)流二極管組成，二者損耗即為IGBT模組的損耗。其中，IGBT損耗主要來(lái)源是其開(kāi)關(guān)損耗，二極管損耗主要來(lái)源是其關(guān)斷損耗[5]。

(5)

(6)

式中：prr為二極管關(guān)斷損耗；EDiode(off)p為二極管反向恢復(fù)能量，可通過(guò)數(shù)據(jù)手冊(cè)查得；i為二極管電流變化率，可查數(shù)據(jù)手冊(cè)；Inom為額定電流；Unom為額定電壓；fsw為開(kāi)關(guān)頻率。

從式(5)、式(6)可以看出，IGBT的開(kāi)關(guān)損耗和二極管的關(guān)斷損耗與Udc/Unom正相關(guān)，低電壓下的電機(jī)控制器效率高于高電壓下的電機(jī)控制器效率。

2 動(dòng)態(tài)電壓變化的影響分析

2.1 永磁同步電機(jī)控制原理

永磁同步電機(jī)矢量控制中通常采用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系d,q下數(shù)學(xué)模型，模型可以簡(jiǎn)化為以下形式[6-8]。

旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中定義電壓方程：

(7)

定子磁鏈方程：

(8)

此時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩方程：

Te=p[ψfiq+(Ld-Lq)idiq]

(9)

式中：ud,uq分別為d,q軸電壓的分量；id,iq分別為d,q軸電流的分量；Ld,Lq分別為d,q軸電感的分量；ψd,ψq分別為d,q軸磁鏈的分量；Rs為定子電阻；ωe為電角速度；ψf為永磁體磁鏈；p為電機(jī)極對(duì)數(shù)。

式(9)表示永磁同步電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩含有兩個(gè)分量，等號(hào)右邊第一項(xiàng)是永磁轉(zhuǎn)矩，由定子q軸電流和永磁體磁鏈相互作用產(chǎn)生；第二項(xiàng)是磁阻轉(zhuǎn)矩，由轉(zhuǎn)子凸極效應(yīng)產(chǎn)生。對(duì)于表貼式永磁同步電機(jī)，由于Ld=Lq，輸出轉(zhuǎn)矩可表達(dá)：

Te=pψfiq

(10)

可以看出，如果維持id=0，則永磁同步電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩僅與iq相關(guān)。因此，在id=0控制策略中，通過(guò)坐標(biāo)變換，可以使永磁同步電機(jī)多變量、非線性、強(qiáng)耦合的電磁轉(zhuǎn)矩關(guān)系模型等效為簡(jiǎn)單的直流電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩關(guān)系模型[8]。

2.2 仿真分析

為了分析電壓動(dòng)態(tài)變化的影響，采用id=0 矢量控制策略，利用MATLAB/Simulink創(chuàng)建模型進(jìn)行仿真分析[6]。電機(jī)以恒負(fù)載25N·m、恒轉(zhuǎn)速1000r/min運(yùn)行，圖1分別以311 V遞增、311 V遞減、以311 V為中心正弦波動(dòng)的信號(hào)模擬電池電壓不同變化方式，分析電機(jī)的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性和相電流諧波。

圖1 電池電壓變化模擬信號(hào)

在不同輸入電壓信號(hào)下，觀測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化情況，圖2記錄下4組穩(wěn)態(tài)后的數(shù)據(jù)。

圖2 不同電壓變化下的輸出轉(zhuǎn)速

曲線1為電壓不變時(shí)轉(zhuǎn)速變化；曲線2為電壓線性遞增時(shí)轉(zhuǎn)速變化；曲線3為電壓線性遞減時(shí)轉(zhuǎn)速變化；曲線4為轉(zhuǎn)速波動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)速變化。可以看出，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后電池電壓的不同變化對(duì)轉(zhuǎn)速影響不同。電壓遞增時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)速影響不明顯；電壓遞減到一定值后實(shí)際轉(zhuǎn)速降低，不能滿足目標(biāo)轉(zhuǎn)速并引發(fā)轉(zhuǎn)速波動(dòng)；電池電壓波動(dòng)引發(fā)轉(zhuǎn)速以同樣的變化趨勢(shì)波動(dòng)。

觀測(cè)不同輸入電壓下的相電流諧波含量，如圖3所示，對(duì)比穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)4種電壓狀態(tài)下的相電流諧波畸變率。

圖3 相電流諧波

通過(guò)仿真，穩(wěn)態(tài)下恒壓時(shí)諧波畸變率最小，變化的電壓產(chǎn)生的電流諧波增大，其中電壓波動(dòng)時(shí)相電流諧波畸變率可達(dá)到恒壓時(shí)的5倍，導(dǎo)致電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)損耗增大。

3 臺(tái)架測(cè)試結(jié)果

參照GB/T18488.2-2015對(duì)同一款永磁同步電機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行外特性和效率測(cè)試，不同電壓平臺(tái)下的性能差異明顯。

3.1 外特性分析

不同的電池電壓平臺(tái)下測(cè)試電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)全轉(zhuǎn)速段的峰值扭矩和峰值功率，以驅(qū)動(dòng)狀態(tài)為例。

曲線1為540 V電壓時(shí)實(shí)測(cè)外特性，曲線2為720 V時(shí)實(shí)測(cè)外特性，曲線3為400 V時(shí)實(shí)測(cè)外特性。從圖4和圖5可以看出，電壓越高，恒扭矩區(qū)越大，峰值扭矩和峰值功率越大。

圖4 峰值扭矩

圖5 峰值功率

3.2 效率分析

在不同電池電壓下，分別測(cè)試不同轉(zhuǎn)速和不同扭矩點(diǎn)的系統(tǒng)效率、控制器效率和電機(jī)效率。按照GB/T18488.2-2015規(guī)則，統(tǒng)計(jì)高效工作區(qū)的比例。

從表1、表2和表3可以看出，系統(tǒng)效率和電機(jī)效率的高效區(qū)占比隨著電壓升高而增大，但電機(jī)控制器效率高效區(qū)占比在400 V下更大。其中，系統(tǒng)效率≥90%的占比在高低電壓下相差14%，可見(jiàn)，電壓高低對(duì)效率影響顯著。

表1 系統(tǒng)效率

表2 控制器效率

表3 電機(jī)效率

4 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)電池電壓對(duì)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)性能影響明顯問(wèn)題，本文從數(shù)學(xué)模型和仿真方面研究了不同電壓平臺(tái)和動(dòng)態(tài)變化的電壓對(duì)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)性能的內(nèi)在關(guān)系，得到如下結(jié)論：

1) 提高電壓平臺(tái)能夠增大電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)恒扭矩區(qū)和提高系統(tǒng)效率的高效區(qū)占比；

2) 變化的電壓引發(fā)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速波動(dòng)和增大相電流諧波畸變率，一是可通過(guò)提高電池電壓的輸出穩(wěn)定性來(lái)降低輸入端引發(fā)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的抖動(dòng)，二是可開(kāi)發(fā)電機(jī)控制策略來(lái)削弱電壓波動(dòng)帶來(lái)的不利影響。