低溫環(huán)境中電動汽車驅(qū)動發(fā)電機適應(yīng)性測試方法

強文

(江蘇省鎮(zhèn)江市農(nóng)商銀行，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

0 引言

隨著技術(shù)水平的發(fā)展，電動汽車的性能不斷優(yōu)化升級，越來越多的領(lǐng)域應(yīng)用電動汽車執(zhí)行運輸任務(wù)，但由于運輸環(huán)境的不同，電動汽車所需承受的環(huán)境溫差較大，因此需要對電動汽車驅(qū)動發(fā)電機，在低溫環(huán)境中的適應(yīng)性進行測試，以此確認驅(qū)動發(fā)電機所能承受的低溫極限，確保電動汽車在該低溫環(huán)境極限內(nèi)，執(zhí)行運輸任務(wù)[1]。國外的學者們也提出了兩種發(fā)電機適應(yīng)性測試方法，一種是渦扇發(fā)電機總壓畸變適應(yīng)性測試方法[2]，該方法在某加力燃燒室渦扇發(fā)動機上進行了進氣總壓畸變試驗，利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對實驗數(shù)據(jù)進行建模和分析，得到了cvdbdg的工作包絡(luò)。另一種是橡膠波形發(fā)電機采用沖擊脈沖的高精度非線性動力學模型和參數(shù)辨識適應(yīng)性測試方法[3]，該方法考慮了rwg的非線性粘彈性、rwg的幾何因子以及初始沖擊速度的影響，這兩種方法都沒有考慮低溫環(huán)境的影響。我國學者朱林等[4]提出了一種改進的發(fā)電機聚合參數(shù)解析求解適應(yīng)性測試方法，該方法首先通過加入等價移相變壓器消除同調(diào)發(fā)電機合并至公共母線所帶來的電壓偏差,然后基于發(fā)電機結(jié)構(gòu)的系數(shù)矩陣不變特性,利用發(fā)電機聚合前后在同步平面各軸系投影分量相等的特點,直接獲取等值發(fā)電機模型參數(shù)，但是沒有進行降噪處理。因此，針對這些問題，提出全新的發(fā)電機適應(yīng)性測試方法。該方法在傳統(tǒng)測試方法的基礎(chǔ)上，通過分析環(huán)境溫度和發(fā)電機工作特性之間的關(guān)系，設(shè)定精確程度更高的評估指標，同時利用小波函數(shù)對測試信號降噪，實現(xiàn)更加精準的發(fā)電機性能測試，為電動汽車的應(yīng)用和發(fā)展，提供完備的技術(shù)支持。

1 低溫環(huán)境中電動汽車驅(qū)動發(fā)電機適應(yīng)性測試方法

1.1 獲取發(fā)電機在低溫環(huán)境中的工作特性

在低溫環(huán)境下，對電動汽車發(fā)電機的適應(yīng)性測試，需要根據(jù)發(fā)電機本身材料的溫度特點，獲取發(fā)電機在低溫環(huán)境中的工作特性。通常計算發(fā)電機電磁材料的電阻值時一般為式(1)。

R=ρl/s0

(1)

(2)

根據(jù)電機學基本定理可知，同步電機電樞繞組的每相電阻計算方程為式(3)。

(3)

式中,D1表示每相串聯(lián)的匝數(shù)；l0表示線圈匝平均長度；c1表示相繞組的并聯(lián)支路數(shù)；s01表示導體的截面積[5]。而電阻率與電機的使用環(huán)境溫度有關(guān)，其中銅電阻具有較高的電阻溫度系數(shù)，且在-60 ℃—+200 ℃的范圍內(nèi)，與環(huán)境溫度成線性關(guān)系。假設(shè)當環(huán)境溫度為T時，電動汽車驅(qū)動發(fā)電機的電阻率ρT，可按照下列方程式進行換算,如式(4)。

ρT=ρt[1+β(T-Δt)]

(4)

式中,ρt表示實際低溫環(huán)境溫度值為t時的電阻率；β表示導體電阻的溫度系數(shù)控制指標；Δt表示浮動誤差[6]。單相電阻與溫度之間的關(guān)系如圖1所示。

圖1 發(fā)電機單相電阻與環(huán)境溫度之間的關(guān)系曲線

從圖1可知，當溫度為-45 ℃時，電阻值為0.011 Ω，溫度為-40 ℃時，電阻值為0.013 Ω，溫度為-35 ℃時，電阻值為0.015 Ω，溫度為-30 ℃時，電阻值為0.017 Ω，溫度為-25 ℃時，電阻值為0.017 5 Ω，溫度為-20 ℃時，電阻值為0.019 Ω，溫度為-15 ℃時，電阻值為0.02 Ω，溫度為-10 ℃時，電阻值為0.021 Ω，溫度為-5 ℃時，電阻值為0.022 5 Ω，溫度為0 ℃時，電阻值為0.024 Ω，由此可見，隨著溫度的增加，單相電阻值也不斷增加，環(huán)境溫度會影響發(fā)電機單向電阻，且二者之間呈正相關(guān)。

計算上圖中關(guān)系曲線的變化值，根據(jù)該值確定發(fā)電機在低溫環(huán)境中的工作指標,如式(5)。

(5)

式中,αγ表示在特性指標γ影響下的發(fā)電機工作變動指標；T1表示發(fā)電機初始運行階段的儀器溫度；T2表示設(shè)備運行過程中的溫度；μT1表示初始階段的磁導率；μT2表示在低溫影響下的磁導率[7]。至此實現(xiàn)在低溫環(huán)境下，發(fā)電機的工作特性指標。

1.2 設(shè)置發(fā)電機適應(yīng)性測試參數(shù)

以驅(qū)動發(fā)電機在低溫環(huán)境下的工作特性為依據(jù)，根據(jù)發(fā)電機的基本參數(shù)，建立有限元模型，設(shè)置發(fā)電機適應(yīng)性測試參數(shù)。某一電動汽車的驅(qū)動發(fā)電機基本參數(shù)如表1所示。

表1 發(fā)電機基本參數(shù)

根據(jù)上式參數(shù)，計算發(fā)電機轉(zhuǎn)子的不平衡拉力，確定適應(yīng)性測試下，判別發(fā)電機狀態(tài)的評估指標[8]。電場和電磁學控制原理表明，電場力、磁場力和發(fā)電機動量之間具有相互作用關(guān)系，因此發(fā)電機的單位應(yīng)力為式(6)。

(6)

圖2 有限元模型結(jié)構(gòu)圖

觀察上圖可知，該模型在對發(fā)電機進行適應(yīng)性測試時，根據(jù)工作特性指標，對發(fā)電機的應(yīng)力情況進行測試，而此時通過評估指標，判別發(fā)電機在低溫環(huán)境下的適應(yīng)性，以此得出測試結(jié)果。該評估指標可通過下列方程獲得如式(7)。

3）合理修剪。梨園要適度密植，通過合理修剪改善通風透光條件，對減輕病害發(fā)生非常重要。修剪時要剪除密擠、冗長的內(nèi)膛枝，疏除外圍過密、過旺、直立生長枝條，對發(fā)病較重的樹要適當重剪。同時調(diào)整好負載，以提高樹體抗性。

(7)

式中,E(t)表示評估結(jié)果；φ(t)表示跟蹤函數(shù)；σi表示環(huán)境條件為i時，適應(yīng)性測試基準指標；ω表示適應(yīng)性權(quán)重；N表示最大線圈數(shù)量；?表示發(fā)電機機械角度[10]。將該指標評估作為發(fā)電機適應(yīng)性測試參數(shù)，實現(xiàn)低溫環(huán)境下，對電動汽車發(fā)電機的性能測試。

1.3 分析信號輻射方式降低發(fā)電機信噪比

但由于驅(qū)動發(fā)電機在適應(yīng)性測試過程中存在運行噪聲，使測試得到的信號中存在大量噪聲，影響測試數(shù)據(jù)，以此需要根據(jù)電磁信號波動規(guī)律，對測試信號進行降噪處理。發(fā)電機工作原理圖如圖3所示。

圖3 發(fā)電機工作原理圖

發(fā)電機由渦輪、空氣軸承、壓縮器、發(fā)電機、進氣口、發(fā)電機冷卻風扇、排氣口、換熱器、燃油噴嘴和燃燒室組成，從進氣口進入的氣流在壓縮器內(nèi)被壓縮成高密度、高壓和低速的氣流，以增加發(fā)動機的效率。氣流進入燃燒室后，由燃油噴嘴噴射出燃料，在燃燒室內(nèi)與氣流混合并燃燒。燃燒后產(chǎn)生的高熱廢氣，接著會推動渦輪機使其旋轉(zhuǎn)，然后帶著剩余的能量，通過換熱器進行換熱，經(jīng)由噴嘴或排氣管排出來，由渦輪帶動軸承產(chǎn)生電能，為防止發(fā)電機溫度過高，要通過發(fā)電機冷卻風扇進行冷卻。發(fā)電機由激勵源、振動傳遞器和噪聲發(fā)射器組成，因此分析驅(qū)動發(fā)電機的運行噪聲傳播途徑，確認噪聲是由激勵源向外輻射，還是經(jīng)過激勵源產(chǎn)生的力，作用到其他組件上引起的其他組件振動，從而進一步向外輻射噪聲。當噪聲是由激勵源作用力而導致的，即快速轉(zhuǎn)動的冷卻風扇，將風作用在扇葉上，使其產(chǎn)生壓力脈動，進而輻射出噪聲[11]。已知扇葉作用在質(zhì)點上的周期力頻率，與扇葉的旋轉(zhuǎn)噪聲頻率相同，如式(8)。

(8)

式中,fb表示扇葉旋轉(zhuǎn)噪聲頻率；m表示非零的自然數(shù)；Nb表示發(fā)動機扇葉數(shù)目；v表示冷卻風扇的轉(zhuǎn)動流速。根據(jù)該計算結(jié)果，利用小波變化的方法，對適應(yīng)性測試降噪，小波是指通過伸縮平移運算對信號(函數(shù))逐步進行多尺度細化，最終達到高頻處時間細分，低頻處頻率細分，能自動適應(yīng)時頻信號分析的要求，從而可聚焦到信號的任意細節(jié)。小波閾值去噪的基本思想是先設(shè)置一個臨界閾值λ，若小波系數(shù)小于λ，認為該系數(shù)主要由噪聲引起，去除這部分系數(shù);若小波系數(shù)大于λ，則認為此系數(shù)主要是由信號引起，保留這部分系數(shù)，然后對處理后的小波系數(shù)進行小波逆變換得到去噪后的信號。去噪流程圖如圖4所示。

圖4 小波閾值法去噪流程

按照上述流程，利用雙正交l小波對含有噪音的發(fā)電機測試信號進行降噪，該小波具有良好的正交性和對稱性，可將混雜在測試信號中的噪聲信號分離出來，該小波函數(shù)的表現(xiàn)形式為式(9)。

(9)

其中,r表示信號測試集重構(gòu)系數(shù)；d表示信號分離系數(shù)[12]。利用小波變換，將信號中的噪聲去除后，再次進行信號重構(gòu)，得到的信號就是降噪后的信號，以此提升發(fā)電機適應(yīng)性測試信號的信噪比，增強測試結(jié)果的準確性，實現(xiàn)在低溫環(huán)境下，對電動汽車驅(qū)動發(fā)電機適應(yīng)性測試。

2 對比實驗

提出對比實驗，將所提出的發(fā)電機適應(yīng)性測試方法，與傳統(tǒng)發(fā)電機適應(yīng)性測試方法進行比較，分析在低溫環(huán)境中，兩種方法對電動汽車驅(qū)動發(fā)電機的適應(yīng)性測試結(jié)果，是否與真實值相符。

2.1 實驗準備

搭建實驗測試環(huán)境，該實驗環(huán)境中的硬件組成包括轉(zhuǎn)速驅(qū)動部分、溫度控制器、直流電子負載、信號調(diào)理箱、扭距傳感器、電壓傳感器、F/V傳感器、F/V轉(zhuǎn)換器、信號采集器、工業(yè)計算機、汽車用12 V蓄電池以及汽車用24 V蓄電池，其中，此次實驗測試搭建的轉(zhuǎn)速驅(qū)動部分硬件如圖5所示。

圖5 轉(zhuǎn)速驅(qū)動部分硬件搭建示意圖

校核發(fā)電機和電動機的額定轉(zhuǎn)速點，其中發(fā)電機的輸入功率、輸出功率設(shè)定結(jié)果為式(10)。

(10)

式中,A表示發(fā)電機型號；UA表示輸出電壓；IA表示輸出電流；κA表示發(fā)電機效率，一般取值在60%-80%之間。根據(jù)式(10)，計算發(fā)電機的輸入轉(zhuǎn)置矩陣和轉(zhuǎn)出矩陣，得出額定轉(zhuǎn)速點,如式(11)。

(11)

式中,TnA表示輸入轉(zhuǎn)置；TmA表示輸出轉(zhuǎn)置；c表示發(fā)電機基本運行參數(shù)；n表示轉(zhuǎn)速；m表示額定轉(zhuǎn)速；r表示調(diào)速比。由于變頻電機具有額定點以下恒額定轉(zhuǎn)矩的特點，因此額定轉(zhuǎn)速點以下無需校核。因此同理上式，校核發(fā)電機的最高轉(zhuǎn)速點，當TmA-max>TmA時，變頻電動機滿足實驗選用汽車發(fā)電機的測試要求。由于此次實驗需要在低溫下進行，因此利用設(shè)備，控制實驗測試溫度,設(shè)備如圖6所示。

圖6 高低溫交變濕熱試驗箱

通過高低溫交變濕熱試驗箱，結(jié)合圖1發(fā)電機單相電阻與環(huán)境溫度之間的關(guān)系曲線，將實驗測試環(huán)境溫度，控制在低溫范圍內(nèi)，為保證實驗測試結(jié)果具有說服性，設(shè)置若干個低溫測試環(huán)境，如表2所示。

表2 低溫測試環(huán)境基本參數(shù)

圖6中的設(shè)備，按照上表中的環(huán)境溫度，設(shè)置實驗測試溫度，分別利用兩種測試方法，對電動汽車驅(qū)動發(fā)電機的適應(yīng)性進行測試。

2.2 結(jié)果分析

將所提出測試方法作為實驗組，將傳統(tǒng)測試方法作為對照組，此次實驗測試結(jié)果中，當環(huán)境溫度為0 ℃時，發(fā)電機的適應(yīng)性測試結(jié)果如圖7所示。

圖7 0 ℃下的實驗測試結(jié)果

根據(jù)圖7中的曲線走勢可知，在5次對比測試下，所提出測試方法的信噪比，隨著信號量的增加而迅速提升；而傳統(tǒng)測試方法下，其信噪比雖然得到一定程度的提升，但遠低于此次提出的測試方法。為保證實驗測試結(jié)果更具有普遍性，再對測試環(huán)境溫度為-40 ℃的實驗測試結(jié)果展開分析，比較2種測試方法的測試信噪比,如圖8所示。

圖8 -40 ℃下的實驗測試結(jié)果

在同樣的實驗測試條件下，將測試環(huán)境溫度降至-40 ℃。根據(jù)圖8可知，所提出測試方法在低溫環(huán)境下，其測試信噪比與0 ℃時的值相比，變化較小；而傳統(tǒng)測試方法，其信噪比大幅度下降，發(fā)電機的適應(yīng)性測試結(jié)果嚴重失準。綜合上述兩組測試結(jié)果，可確認此次提出的測試方法，其信噪比更高，發(fā)電機適應(yīng)性測試結(jié)果誤差極小。

3 總結(jié)

此次提出的適應(yīng)性測試方法，在保證測試精準的基礎(chǔ)上，通過提升測試信號信噪比，將發(fā)電機的測試結(jié)果的真實性，又提升了一個高度，極大程度上降低了噪聲對測試結(jié)果的干擾，為電動汽車驅(qū)動發(fā)電機在低溫中的適應(yīng)性測試，提供更為嚴謹?shù)募夹g(shù)手段。但此次提出的方法，是在不考慮外部環(huán)境噪聲的基礎(chǔ)上進行的，當進行適應(yīng)性測試時，若有外界信號噪聲干擾，還是會影響測試結(jié)果，這一點需要注意。