純電動物流車用PMSM降開關(guān)損耗控制

吳雪松，戴晶，文翔，周冬冬

（武漢第二船舶設(shè)計研究所，湖北 武漢 430064）

1 引言

物流車多用于城市內(nèi)部或城市之間運送貨物，具有行駛距離短、啟停頻率高、運行時間長的特點。傳統(tǒng)物流車多為燃油汽車，對于城市造成了嚴重的尾氣污染、噪聲污染，而且燃油車具有啟動慢、運營成本高且維護復(fù)雜的特點。電動汽車是國家近幾年大力推廣的一種以電池、電機和電控為驅(qū)動力的車種，經(jīng)過近十年的發(fā)展技術(shù)較為成熟，很多城市也將電動車技術(shù)應(yīng)用到物流車上，得到了良好的應(yīng)用效果。永磁同步電機具有體積小、能量密度高、結(jié)構(gòu)簡單的特點廣泛應(yīng)用于以電能驅(qū)動的新能源汽車上[1]。近年來國內(nèi)對永磁同步電機控制進行了大量的研究，其中包括仿真研究、理論研究、算法研究等[2-4]。本文依托湖北省科技廳項目“東風(fēng)新一代純電動物流車關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)及產(chǎn)業(yè)化”項目，針對純電動物流車的永磁同步電機和電機控制器控制算法進行研究，在汽車工作在不同的工況下電機采用不同的開關(guān)頻率，在保證電機有足夠地輸出能力時，限制電機控制器輸出，從而降低開關(guān)損耗，減小模塊發(fā)熱，提高電機控制器效率。

在《純電動物流車動力系統(tǒng)匹配與仿真》一文中[5]，作者對純電動物流車的動力性能和經(jīng)濟性能匹配的方法，并且進行了仿真驗證，但純電動物流車在控制策略方面多采用簡單的參數(shù)匹配和功能實現(xiàn)上，并未完全考慮純電動物流車實際使用中的工作特點，導(dǎo)致整車控制效果不佳。在純電動物流車動力系統(tǒng)參數(shù)匹配優(yōu)化與驅(qū)動控制策略研究方面[6]，有人對系統(tǒng)參數(shù)進行優(yōu)化[7-8]，使系統(tǒng)各部件進行合理地匹配，使用兩檔變速器增加驅(qū)動電機在高頻工作區(qū)和高效區(qū)的重合以提高利用率，同時考慮物流車的起步、加速和減速時間優(yōu)化電機控制器輸出轉(zhuǎn)矩，取得了良好的效果，但未考慮電機控制器在低速區(qū)間不需要太高的開關(guān)頻率。劉銀等人對純電動物流車的整車控制器進行了研究[9-11]，開發(fā)了一款具有硬件保護功能、CAN網(wǎng)絡(luò)通信、故障診斷、能量管理等功能的整車控制器，該整車控制器是在系統(tǒng)各部件性能良好的狀態(tài)下可以保證最佳的性能，因此還需要對電機系統(tǒng)內(nèi)部件進行研究。在純電動物流車其他研究方面，有使用電磁減振器將傳統(tǒng)懸架耗散的能量進行再回收利用[12]，也有對純電動物流車動力系統(tǒng)參數(shù)穩(wěn)健性設(shè)計[13]，動力參數(shù)匹配研究等,均取得了良好的效果。

本文針對純電動物流車電機控制器軟件算法部分，考慮了不同的物流車運行工況，包括起步、加速、剎車、上坡、高速平穩(wěn)運行、低速平穩(wěn)運行等狀態(tài)，使用不同的PWM頻率，在高頻區(qū)降低晶體管開關(guān)頻率，同時在啟動、加速、爬坡的工況下使用高頻的PWM，在低速平穩(wěn)區(qū)、減速區(qū)使用較低頻率的PWM。本文考慮了電池提供的電壓幅值對開關(guān)損耗的影響，根據(jù)研究，當(dāng)電池充電完成，電壓較高時，如果仍使用較高的PWM頻率，會增加發(fā)熱，因此應(yīng)適當(dāng)降低開關(guān)頻率；是哪個電壓電量不足時，應(yīng)該適當(dāng)增加開關(guān)頻率，以降低電機控制器輸出諧波。根據(jù)在東風(fēng)汽車公司提供的整車上進行了算法驗證，得到了良好的驗證效果。

2 永磁同步電機數(shù)學(xué)建模

本課題中使用的電機為永磁同步電機，首先建立永磁同步電機數(shù)學(xué)模型。永磁同步電機在轉(zhuǎn)子坐標系下的數(shù)學(xué)模型為：

式中：

ud，uq，id，iq，Ld，Lq——定子電壓、電流、電感在d，q軸上的分量；

ψf，ψs——勵磁磁鏈和定子磁鏈；

Te，Pn，p——電磁轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)子極對數(shù)、微分算子；

δm——負載角。

由式（2）知，電機輸出轉(zhuǎn)矩受到d軸和q軸電感以及轉(zhuǎn)子磁鏈的影響。根據(jù)對永磁同步電機的研究，溫度對電機的電感和磁鏈有很大影響，因此減小電機輸入諧波，是降低電機溫度的主要方法，使用高頻的PWM可以降低諧波含量，但高頻的晶體管模塊價格昂貴，且控制復(fù)雜，且高頻的導(dǎo)通和關(guān)斷容易導(dǎo)致較高的IGBT結(jié)溫，在工程應(yīng)用中會考慮成本、控制效果來選擇IGBT的頻率。

控制算法中通過計算晶體管導(dǎo)通和關(guān)斷的時間產(chǎn)生PWM波控制電動機，頻率越高，越接近正弦波，然而在頻率較高時，開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷的死區(qū)時間就越短，同時開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷產(chǎn)生的熱量越高。根據(jù)研究，PWM的頻率對開關(guān)管的發(fā)熱、諧波含量、最大輸出能力有很大影響，在IGBT選型主要考慮開關(guān)頻率、輸入電壓、輸出電流等參數(shù)。當(dāng)開關(guān)頻率較高時，需設(shè)置的死區(qū)時間短，能輸出的最大電流就越?。划?dāng)開關(guān)頻率較低時，能設(shè)置的死區(qū)時間長，能輸出的最大電流就大，電機控制器地輸出能力就大，但諧波含量大。

使用晶體管的導(dǎo)通和關(guān)斷控制永磁同步電機的原理是使用等高不等寬的調(diào)制波“替代”正弦波，達到正弦波控制的效果。使用等高不等寬的調(diào)制波控制電機具有和正弦波相同的控制效果，當(dāng)調(diào)制波頻率很高時越接近正弦波。當(dāng)開關(guān)頻率很高時，在一個正弦周期內(nèi)開關(guān)管導(dǎo)通和關(guān)斷次數(shù)較多就會產(chǎn)生較高的熱量。

3 降低開關(guān)損耗的電機控制方法

城市內(nèi)純電動物流車常處于起步、加速、減速，以及高速平穩(wěn)運行和低速運行不斷切換的狀態(tài)。針對純電動物流車實際工作情況，適當(dāng)?shù)馗淖僆GBT導(dǎo)通和關(guān)斷的頻率不僅可以降低晶體管的發(fā)熱，也可以提高電機控制器的效率。在電機控制器中，最高IGBT的控制頻率為10kHz，而當(dāng)物流車處于低速平穩(wěn)運行時降低開關(guān)頻率，為了具有良好的制動效果，在制動時采用高頻的PWM。根據(jù)試車情況不斷調(diào)校出最適當(dāng)電機控制器IGBT開關(guān)頻率范圍，這種改變頻率的控制方法可以降低IGBT的開關(guān)損耗。

將純電動物流車的工況分為起步加速狀態(tài)、高速平穩(wěn)運行狀態(tài)、低速平穩(wěn)運行狀態(tài)、減速制動狀態(tài)以驗證控制算法的可行性，其中各種狀態(tài)指令由VCU指定給出。設(shè)計四種工況下IGBT的導(dǎo)通和關(guān)斷頻率如表1所示。

表1 純電動物流車各工況下開關(guān)頻率

4 降低開關(guān)損耗的電機控制方法試驗

為了驗證電機控制算法的可行性，在試驗時搭建了電機控制器測試平臺，使用測功機與被試機對施的形式進行測試。匹配電機參數(shù)如表2所示。

表2 永磁同步電機參數(shù)表

電機控制器匹配額定功率60kW，額定扭矩為450Nm永磁同步電機，強迫水冷方式，通過上位機測試不同工況下電機控制器IGBT結(jié)溫。

根據(jù)測試結(jié)果，電機控制器測試中，使用1min最大輸出轉(zhuǎn)矩測試溫升情況模擬啟動加速狀態(tài)下溫升；使用額定轉(zhuǎn)矩額定轉(zhuǎn)速測試溫升模擬高速運行狀態(tài)下溫升；使用額定轉(zhuǎn)矩0.5倍額定轉(zhuǎn)速測試溫升模擬低速運行狀態(tài)下溫升；使用1min反向扭矩發(fā)電測試溫升模擬減速制動狀態(tài)下溫升。測試結(jié)果與原純電動物流車用電機控制器在相同環(huán)境和工作狀態(tài)下溫升對比如圖1所示。

圖1 （a） 1min最大輸出轉(zhuǎn)矩IGBT溫升測試

圖1 （b） 額定狀態(tài)IGBT溫升測試

圖1 （c） 輕載狀態(tài)IGBT溫升測試

圖1 （d） 1mim最大制動轉(zhuǎn)矩IGBT溫升測試

圖1 （a）～（d）分別為原純電動物流車電機控制器IGBT溫度測試和新一代純電動物流車電機控制器IGBT溫度測試。其中棕色溫度線為原純電動物流車電機控制器IGBT溫度，藍色溫度線為新一代純電動物流車電機控制器IGBT溫度。根據(jù)圖1（a）和圖1（d），模擬電動物流車啟動和制動的狀態(tài)，為了保證電機控制器具有優(yōu)良的啟動和制動性能，電機控制器晶體管開關(guān)頻率和原物流車電機控制器相同，根據(jù)測試結(jié)果，電機控制器IGBT溫升和原純電動物流車電機控制器IGBT溫升幾乎相同。

根據(jù)圖1（b），為額定狀態(tài)下IGBT溫升測試對比，可見新一代純電動物流車電機控制器IGBT溫升要低于原物流車電機控制器溫升，新一代純電動物流車溫升比原純電動物流車溫度降低3.7℃。同時根據(jù)圖1（c），為輕載狀態(tài)下電機控制器IGBT溫升測試結(jié)果，溫升特點和額定狀態(tài)下相同，溫升要比額定狀態(tài)下小，新一代純電動物流車電機控制器IGBT溫升比原純電動物流車電機控制器溫升降低5.5℃。

課題組把研制的電機和電機控制器安裝在由東風(fēng)汽車公司提供的整車上進行了靜態(tài)調(diào)試和路試，通過不斷地對不同路況下電機控制器開關(guān)頻率進行調(diào)校，得到了良好的控制效果，控制效果滿足預(yù)期，同原純電動物流車電機控制器IGBT溫升相比，各工況下新一代純電動物流車電機控制器IGBT溫升均有所下降，驗證了降低開關(guān)損耗的純電動物流車用電機控制算法的可行性，同時根據(jù)測試，新一代純電動物流車用電機控制器增加了電機控制器效率。

5 結(jié)論

本文根據(jù)“東風(fēng)新一代純電動物流車關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)及產(chǎn)業(yè)化”項目的子課題“東風(fēng)新一代純電動物流車用電機及控制器關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)”對影響電機控制器IGBT結(jié)溫的影響因素進行了研究。針對純電動物流車在城市內(nèi)的實際工況，設(shè)計了不同的IGBT開關(guān)頻率，同時根據(jù)不同的電壓等級調(diào)校了IGBT的開關(guān)頻率，根據(jù)實車試驗，以及數(shù)據(jù)測試結(jié)果，在相同的水冷狀態(tài)下，相比于原純電動物流車的電機控制器IGBT結(jié)溫有所下降，電機控制器效率有所增加，驗證了算法的可行性。