電動(dòng)汽車(chē)用PMSM最大電流測(cè)試的零轉(zhuǎn)矩測(cè)試方法

馬 凱 王 斌 黃 炘 高繼東

（中汽研新能源汽車(chē)檢驗(yàn)中心（天津）有限公司，天津 300300）

電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是電動(dòng)汽車(chē)的關(guān)鍵零部件。其中，逆變器輸出電流能力測(cè)試的關(guān)鍵測(cè)試項(xiàng)是最大輸出電流，通常是通過(guò)提高轉(zhuǎn)矩給定指令的運(yùn)行效率和完善轉(zhuǎn)矩輸出的方式，增加逆變器的輸出電流。該方法雖簡(jiǎn)單易行，但隨之帶來(lái)的問(wèn)題是轉(zhuǎn)矩得到巨大提升，使測(cè)功機(jī)系統(tǒng)負(fù)荷較大，極端情況下可能導(dǎo)致測(cè)功機(jī)飛車(chē)或斷軸，很容易造成設(shè)備損壞或事故發(fā)生。從測(cè)試安全和設(shè)備保護(hù)的角度出發(fā)，該文將在分析現(xiàn)有測(cè)試方法的理論依據(jù)基礎(chǔ)上，研究并提出新的最大輸出電流測(cè)試方法。新方法可以使電機(jī)逆變器在輸出大電流的狀態(tài)下，降低轉(zhuǎn)矩，甚至可以降低到零，在充分保護(hù)測(cè)功機(jī)臺(tái)架的基礎(chǔ)上，最大程度做到安全測(cè)試的要求。該文將對(duì)現(xiàn)有的測(cè)試方法進(jìn)行理論分析研究，基于理論層面證明新的測(cè)試方法的有效性與等價(jià)性。

1 永磁電機(jī)最大輸入電流測(cè)試方法

1.1 永磁電機(jī)最大輸入電流現(xiàn)有測(cè)試方法及其評(píng)價(jià)分析

按照GB/T 18488.2-2015 的測(cè)試要求，電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電機(jī)逆變器的最大輸出電流需要達(dá)到技術(shù)文件要求的指標(biāo)。一般而言，電機(jī)在一定轉(zhuǎn)速下，逆變器的輸出電流越大，永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)矩越大，往往輸出電流達(dá)到最大時(shí)，轉(zhuǎn)矩也到了最大點(diǎn)，其計(jì)算如下。

式中：Te代表電磁轉(zhuǎn)矩，Pn表示極對(duì)數(shù)，φd代表d軸磁鏈，Ld、Lq分別代表d軸、q軸電感值，id、iq分別代表d軸、q軸電流。

考慮到控制方法，一般情況下，基速以下采取最大轉(zhuǎn)矩電流比控制[3]，基速以上采取最大功率電流比控制[5]。對(duì)于表貼式永磁同步電機(jī)，有Ld=Lq，對(duì)于內(nèi)嵌式永磁同步電機(jī)，有Ld≠Lq。

現(xiàn)有的測(cè)試方法一般是按照電機(jī)控制的最大轉(zhuǎn)矩電流比[1，4]曲線給定，電機(jī)在這種工況下能以最小的電流實(shí)現(xiàn)最大的轉(zhuǎn)矩輸出，顯然這種方式不利于測(cè)試永磁電機(jī)最大輸入電流，因?yàn)殡姍C(jī)輸出轉(zhuǎn)矩較大。電機(jī)電流大小用表示，電機(jī)轉(zhuǎn)矩電流比通過(guò)求取電磁轉(zhuǎn)矩對(duì)電流的導(dǎo)數(shù)，即確定。該控制方式屬于定子電流最優(yōu)控制的一種，比較適合整車(chē)運(yùn)行中的轉(zhuǎn)矩輸出，即以較小電流輸出較大轉(zhuǎn)矩的工況，但并不適合測(cè)試過(guò)程。但按照國(guó)標(biāo)定義，測(cè)試過(guò)程并沒(méi)有對(duì)輸出轉(zhuǎn)矩提出明確要求。因此增加電機(jī)轉(zhuǎn)矩并無(wú)實(shí)際意義，反而使測(cè)功機(jī)系統(tǒng)負(fù)荷很大，甚至導(dǎo)致飛車(chē)事故，嚴(yán)重的發(fā)生安全隱患。

1.2 永磁電機(jī)最大輸入電流測(cè)試新方法及其分析

考慮到在測(cè)試永磁電機(jī)最大輸入電流的同時(shí)，盡量減小轉(zhuǎn)矩，甚至為零的測(cè)試狀態(tài)為最佳狀態(tài)，該文提出了永磁電機(jī)最大輸入電流測(cè)試新方法（后文簡(jiǎn)稱(chēng)“新方法”）。該測(cè)試方法能夠使電機(jī)逆變器在輸出最大電流時(shí)輸出很小的轉(zhuǎn)矩，測(cè)功機(jī)端承受較小的負(fù)載，理論上在試驗(yàn)過(guò)程中不會(huì)導(dǎo)致飛車(chē)事故。下面將討論如何給定dq軸電流，才能實(shí)現(xiàn)上述測(cè)試過(guò)程。如式（1）所示，如果電機(jī)q軸電流控制為0，電機(jī)將不輸出轉(zhuǎn)矩，而此時(shí)若欲達(dá)到is最大值，只剩d軸電流可以控制。根據(jù)電壓電流極限圓，欲達(dá)到電流輸出極限，靠近電流極限圓，需要控制d軸電流，使id→is，同時(shí)考慮到電流狀態(tài)點(diǎn)要落到電壓極限圓內(nèi)，d軸電流應(yīng)給負(fù)值。

綜上所述，電流給定方式控制如下。

電磁轉(zhuǎn)矩Te=0。

2 新方法測(cè)試仿真及試驗(yàn)分析

2.1 仿真測(cè)試分析

經(jīng)仿真測(cè)試分析，取電機(jī)的仿真參數(shù)表1，仿真電機(jī)模型將表貼式永磁電機(jī)作為控制對(duì)象。

表1 仿真電機(jī)參數(shù)表

仿真過(guò)程電機(jī)轉(zhuǎn)速由測(cè)功機(jī)系統(tǒng)給定，電機(jī)控制在轉(zhuǎn)矩模式。電機(jī)逆變器輸出電流的極限能力設(shè)計(jì)值是50A 。在現(xiàn)有的測(cè)試方法下，電機(jī)逆變器能輸出50A 電流，電機(jī)電流及電磁轉(zhuǎn)矩值的仿真結(jié)果如圖1。穩(wěn)定后，逆變器輸出電流為（id=40A，iq=-30A），電機(jī)轉(zhuǎn)矩達(dá)到34.6N。

圖1 仿真結(jié)果表明，在傳統(tǒng)測(cè)試方法中，測(cè)試逆變器的最大輸出電流，需要持續(xù)給逆變器加載荷，d軸和q軸電流會(huì)隨著轉(zhuǎn)矩最優(yōu)控制曲線達(dá)到穩(wěn)定值，分別是-30A 和40A，最大電流即為兩軸電流平方和再開(kāi)方，為50A，此時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)矩大約35N·m。

同樣的，在新方法測(cè)試下，電機(jī)逆變器仍然輸出d軸電流-50A，q軸電流0A，電流，電機(jī)轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定后為0?？梢?jiàn)，通過(guò)2 個(gè)圖的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)電機(jī)逆變器在輸出相同電流is的狀態(tài)下，新方法輸出轉(zhuǎn)矩幾乎為0。說(shuō)明新方法在保證輸出電流的情況下，保證輸出轉(zhuǎn)矩降低，對(duì)測(cè)試設(shè)備的安全運(yùn)行有很好的效果，仿真結(jié)果如圖2。

圖2 新方法下的測(cè)試仿真波形

可以看出，在逆變器輸出相同電流is的狀態(tài)下，前者輸出較大轉(zhuǎn)矩，后者幾乎沒(méi)有轉(zhuǎn)矩輸出，仿真結(jié)果驗(yàn)證了該方法有效性。

2.2 臺(tái)架試驗(yàn)測(cè)試分析

依托新能源測(cè)試平臺(tái)，搭建了新能源電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)[2，6]，見(jiàn)圖3。結(jié)合試驗(yàn)對(duì)象的自身特性及參數(shù)，該款測(cè)試平臺(tái)包括電池模擬器系統(tǒng)、永磁驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)、奧地利AVL 測(cè)功機(jī)系統(tǒng)、WT3000 功率分析儀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、冷卻裝置，各部分通過(guò)機(jī)械連接方式和電氣連接方式連接。

圖3 測(cè)試驗(yàn)證

根據(jù)樣品信息參數(shù)表，電機(jī)工作在額定電壓下，確認(rèn)電機(jī)永磁電機(jī)最大輸入電流。根據(jù)現(xiàn)有測(cè)試方法，不斷提高電機(jī)轉(zhuǎn)矩給定值，使電機(jī)電流達(dá)到永磁電機(jī)最大輸入電流。數(shù)據(jù)結(jié)果如表2 所示。

表2 傳統(tǒng)測(cè)試方法下電機(jī)輸出對(duì)應(yīng)參數(shù)表

表3 新方法下測(cè)試電機(jī)輸出對(duì)應(yīng)參數(shù)表

結(jié)果表明，電機(jī)實(shí)際不輸出轉(zhuǎn)矩，測(cè)功機(jī)軸上幾乎無(wú)功率傳遞，電機(jī)電流幾乎全部用于產(chǎn)生焦耳熱，但值得注意的是，測(cè)試過(guò)程中要求電機(jī)直軸電流不可超過(guò)去磁電流退磁點(diǎn)。

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)最大電流測(cè)試該文提出零轉(zhuǎn)矩方式測(cè)試驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)最大電流的新方法，總結(jié)如下：1）該文提出電機(jī)永磁電機(jī)最大輸入電流新的測(cè)試方法，與傳統(tǒng)測(cè)試方法分析比較，理論分析結(jié)果表明新方法能夠滿足GB/T 18488.2-2015 的測(cè)試要求，同時(shí)比傳統(tǒng)測(cè)試方法有明顯的測(cè)試優(yōu)勢(shì)，能夠保障電機(jī)測(cè)試的安全性，對(duì)測(cè)功機(jī)系統(tǒng)起到保護(hù)作用。2）搭建了新方法測(cè)試平臺(tái)，通過(guò)仿真驗(yàn)證和臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果，證明該方法具備可操作性。同時(shí)仿真和試驗(yàn)結(jié)果與理論分析結(jié)果一致，電機(jī)逆變器在輸出大電流的情況下保證電機(jī)幾乎無(wú)轉(zhuǎn)矩輸出。證明了該方法切實(shí)有效，能夠應(yīng)用于試驗(yàn)測(cè)試中，具備實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。3）后續(xù)工作需要考慮電機(jī)在直軸電流較大的情況下，可能會(huì)產(chǎn)生不可逆退磁現(xiàn)象，這就限制了直軸電流的上限值，研究人員需要研究不同類(lèi)型電機(jī)的退磁點(diǎn)，將該保護(hù)值寫(xiě)進(jìn)電機(jī)逆變器，防止試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)生永磁體不可逆退磁現(xiàn)象。