增程式電動汽車永磁同步發電機設計與改進

王曉遠，呂海英

(天津大學，天津 300072)

增程式電動汽車永磁同步發電機設計與改進

王曉遠，呂海英

(天津大學，天津 300072)

介紹和分析了城市應用緊湊型增程式電動汽車的運行工況，并討論了增程器專用發電機的設計要求。基于其特性要求定義了增程器的需求功率，并對增程器專用發電機進行了合理優化，分別從改善振動和噪聲、減重、減小齒槽轉矩以及改善漏磁方面考慮，改進后的永磁同步發電機性能得到進一步的提升，為緊湊型車用增程器永磁同步電機的設計研發提供了參考。

電動汽車；緊湊型增程器；永磁同步發電機；結構優化

0 引 言

隨著電動汽車技術的發展，越來越多類型的電動汽車被人們設計和開發出來。總結目前市場上的電動汽車包括有，純電動汽車(EV)、混合動力汽車(HEV)、插電式混合動力(PHEV)、燃料電池汽車(FC)。對于混合動力汽車，系統集成和控制較為復雜，技術實現難度較大，且節能水平直接受系統集成技術水平的影響。對于純電動汽車，由于電池技術的限制，續駛里程始終不能達到理想的水平[1]；另一方面，充電站、電池回收等配套設施和方案仍不完善，使純電動汽車的日常使用受到很大的限制。 燃料電池汽車同樣受到配套設施不足的制約，且相對于四通八達的電網重新建設足夠密集的管網，使燃料電池汽車的產業化發展緩慢。混合動力汽車、純電動汽車以及燃料電池汽車緩慢的市場化進程促使人們尋找其他的方案，增程式電動汽車(Extended-Ranger Electrical Vehicles，EREVs)應運而生。它內部集成了一個小的發電機組-增程器(RE)，解決了純電動汽車續航里程短的問題。同時汽車在最高時速以及加速度方面具有較好的性能。EREVs與插入式混合動力汽車(PHEVs)之間的區別是，PHEVs是基于傳統的混合動力汽車開發的，因此其動力輸出部分仍會直接與發動機相連，使發動機無法長時間工作在高效狀態，尾氣排放及燃油經濟性仍不甚理想[2]。而EREVs的設計是基于純電動汽車，當電量充足時，EREVs可以以純電動模式行駛 ，僅當荷電狀態SOC達到一定狀態時RE中的發電機組啟動，此時整車工作在串聯混合動力模式。EREVs主要的動力系統結構如圖1所示。

圖1 EREVs系統結構示意圖

增程器發電機根據電池容量的大小及控制策略的不同向蓄電池組或者電動機提供能量和功率，由于增程器在結構及性能方面均有特殊的要求，使得發電機的設計標準不同于傳統的發電機。因此本文將從城市應用(70 km的行駛范圍)EREVs的需求角度出發，分析其運行工況，從中得出適合增程器應用的緊湊高效發電機的設計，最后以一臺永磁同步發電機為例，按照增程器的功能要求對其進行設計和改進，經仿真及實驗驗證，改進后的發電機在重量、噪聲、輸出電壓等方面均很好的滿足了城市EREVs的要求。

1 增程器運行工況及控制策略

增程器中的發動機與發電機配合給電池充電有兩種不同的工作方式，主要取決于汽車本身的電池容量(SOC)的高低。增程器的工作模式如圖2所示。

圖2 EREVs的兩種工作模式

當電動汽車的電池容量較高時，電動汽車工作在charge-depleting(CD)[3]狀態下，此狀態為純電動工作模式。當電池容量較低時，為保持比較高的充電閾值，電動汽車工作在charging-sustaining (CS)[3]狀態。采用CS策略時，當電池的SOC值降低到限值以下時，增程器中的發動機便啟動，帶動發電機發電，一方面為電動機提供必要的功率，另一方面為電池組充電。在CS階段，本文設計的增程器采用開關式的控制模式，即系統設定一個SOC閾值SOClow和SOChigh,增程器系統通過on-off控制的方法將SOC控制在兩個閾值之間[4,7]，如圖2所示。確定增程器的輸出功率應根據動力系統以及蓄電池組的功率和能量需求決定。當選擇的增程器功率輸出較低時，并不能提供充足的能量以使電池的SOC保持在有效范圍內，也就不能實現增加汽車行駛里程的目的。如果發電機選擇功率過高時，過高的輸出功率會使電池的SOC迅速升至上限值，這會使增程器頻繁的在CD與CS模式間切換，使發動機的燃油經濟性下降，以及較短的充放電循環時間，使電池組的充放電次數增多，進而影響蓄電池組的壽命。因此過高的輸出功率降低了增程器的平均效率，增大了成本及復雜程度。由此得出結論，發電機的輸出功率應滿足整車功率需求，結合電動汽車長途行駛工況、平均行駛里程等參數進行確定，使蓄電池組達到較小的充放電循環速度，降低電池成本。

2 增程器功率需求計算

近年增程器的開發越來越受關注，國外一些公司對EREVs技術的研究已經處于實用階段。目前市場上的主流產品有Lotus公司開發的35 kW增程器使用傳統內置式永磁同步發電機1.2 L三缸內燃機相配合，發電機重量大約40 kg，具有技術成熟、成本低、投入市場快的優點，但是系統的振動和噪聲比較大。德國Mahle設計的增程器選用30 kW四沖程兩缸汽油機與發電機配合，該系統最大的特點是將發電機直接安裝在曲軸上，與發動機直接集成在一起，減小了增程器的體積和重量。國內一些汽車廠商也相繼推出了EREVs的設計概念，奇瑞汽車研發的瑞麒M1-REEV其中使用的增程器于AVL公司開發的增程器結構及性能類似，長城汽車開發的增程式汽車由17.5 kW/h鋰電池、三缸自然吸氣發動機與額定25 kW永磁發電機構成。對于城市緊湊型EREVs，電池容量在10 kW/h左右，以上這些發電機組雖然足以滿足功率需求，但是過高的輸出功率會使電池的SOC迅速升至上限值，這會使增程器頻繁的在CD與CS模式間切換，使發動機的燃油經濟性下降，以及較短的充放電循環時間，使電池組的充放電次數增多，影響蓄電池組的壽命。因此本文將根據城市應用計算功率需求，設計適合城市應用的緊湊型增城器發電機[5]。表1為城市緊湊型電動汽車的開發目標。

表1 EREVs開發目標

確定這個目標后，首先需要確定EREVs的電功率PM。

(1)

式中：V為代表汽車的行駛速度;ηt為傳動系統的效率；MV為整車質量kg；g為重力加速度；fr為滾動阻力系數；α為路面傾斜角度；ρα為代表空氣密度(1.2 kg/m3)；CD為空氣阻力系數；Af為汽車正面迎風面積；δ為代表矯正因數(考慮到旋轉部件的影響，如車輪、軸承、飛輪等)。

1) 高速行駛需求功率

當最高車速≥80 km/h，通過上述公式(1)可以計算出機械功率大約需要10.5 kW。

2) 循環工況行駛需求功率

循環工況行駛的功率需求遠小于高速行駛的功率需求。

3) 峰值功率

0～50 km/h加速時間≤7 s, 通過式(2)計算需求功率為P1=28 kW。

(2)

4%坡度最大車速≥70 km/h, 通過式(3)計算需求功率為P2=21 kW。

(3)

12%坡度最大車速≥40 km/h, 通過式(3)計算需求功率為P3=24 kW。

峰值功率由上述最大功率決定，即：

Pmax=max (P1,P2,P3)

百千米加速所需的功率最高，決定峰值功率Pmax為28 kW。由此可以計算滿足條件(3)的電機額定功率：

PN=Pmax/λ

式中：λ為電機過載系數，車用電動機一般具有比較高的過載系數，本文電機設計的過載系數為2.5，則額定功率Pmax計算值為11.2 kW。綜合高速行駛以及加速爬坡性能要求，最終確定機械功率需求為11.2 kW。為了進一步計算需求的電功率，必須要定義出系統器件的工作效率，在滿負載的情況下效率大約為90%，因此計算系統電功率需求約為13 kW。

3 增程器發電機設計與改進

分析了大量的永磁電機，最終選用6極36槽內置式永磁同步發電機。應用于增程器的發電機應具有較高的效率，較高的輸出功率和輸出轉矩，在結構上要盡量緊湊以減少體積和重量。下面分別從振動與噪聲、電機重量、永磁體利用率及輸出電壓幾個方面進行討論，最終對發電機進行有效的設計改進。

3.1 樣機參數

結合城市緊湊型EREVs的運行工況及小型化、緊湊型高效發電機的開發要求，最終確定了一款永磁同步發電機樣機[6,8]，樣機參數見表2。

表2 發電機性能參數

根據蓄電池的特性，直流電壓為325V，最大值為380 V(SOC 100%的條件下),最小值為320 V(SOC 30%的條件下)。其轉子結構采用內置式，樣機模型見圖3(a)，樣機空載感應電動勢波形、齒槽轉矩如圖3(b)所示。

圖3 原樣機的模型及樣機感應電動勢、齒槽轉矩波形

由圖3可知，樣機的空載感應電動勢基本呈現梯形波，其隔磁橋處的漏磁明顯，齒槽轉矩也較大。漏磁將會影響發電機效率，齒槽轉矩的增大將導致發電機的振動和噪聲，從而降低整車的舒適性。以下將通過優化逐步改善樣機的性能，使樣機符合增程器用發電機的設計要求。

3.2 樣機的改進

3.2.1 減重措施

2.推動“三大”革命。要以農村生活垃圾處理、生活污水治理、村容村貌整治為主攻方向，堅持不懈推進農村“廁所革命”，因地制宜、分類施策，推廣衛生廁所的大眾化、普及化，著力改善農村人居環境，努力補齊影響農民群眾生活品質的短板，推進美麗宜居鄉村建設。

減小增程器的體積和重量意味著乘車舒適性的提升以及電動車續駛里程的提高，這不僅節約能源、降低消耗，而且可以降低電池放電深度，延長電池使用壽命，顯著降低電池使用成本。因此在設計增程器用發電機時應采取措施盡量保證較小的體積，并減輕電機質量。為此，可以在電機條件滿足的情況下考慮采用集中繞組，并在不使電機定轉子過分磁飽和的前提下，在定轉子上開孔，這樣既減少了端部長度，使電機軸向長度縮短，又降低了電機質量，同時還保證了電機的散熱能力，使電機總體溫升保持平衡。本文設計對轉子進行了開孔，并分析了開孔后對磁力線分布以及輸出感應電動勢的影響。開孔前后的磁力線分布以及磁密云圖如圖4、圖5所示。由圖可知，開孔后轉子軛處的磁密并沒有顯著變化，轉子的飽和程度較低，開孔對磁通走向影響較小。

開孔前后空載感應電動勢波形對比如圖6所示。由圖可知，開孔對感應電動勢波形幾乎無影響。 改進前后的整機質量對比見表3，由表可知，整機重量減輕了1.4kg，整機質量下降了8.9%，開孔減量的同時并不影響電氣性能。

圖4 開孔前后的電機磁力線分布對比

圖5 開孔前后的電機磁密云圖對比

圖6 開孔前后A相感應電動勢波形對比

表3 開孔前后電機質量比較

3.2.2 振動與噪聲優化

發電機在發電的過程中，其噪聲的主要來源有：電磁噪聲、機械噪聲以及空氣動力性噪聲。電磁振動及噪聲可以通過削弱齒槽轉矩的方法來實現。目前，削弱齒槽轉矩常用的方法有極槽配合、分數槽繞組、優化極弧系數、合理改變磁極形狀、斜槽、開輔助槽及槽口優化和槽口偏移[9]等。但以上方法并非完全適用于所有的永磁發電機。極槽配合需要改變電機的極數和槽數，這可能會影響電機的整體性能；分數槽繞組適合于電機的每極每相槽數為分數的情況；極弧系數與磁極形狀在永磁體采用傳統放置方法時采取優化手段效果較好，斜槽在電機軸向長度較大時才起到明顯削弱齒槽轉矩的效果，并且改變極弧系數與磁極形狀以及斜槽雖然可以抑制齒槽轉矩，但這些方法是通過消去特定諧波使電機的輸出電壓波形更加接近正弦，同時也削弱電機的效率、輸出功率等性能。

對于增程器用永磁發電機，應結合電機的具體尺寸、電機采用的定轉子形式、永磁體的放置情況以及設計性能指標等因素采取不同的優化策略，在盡量不影響電機其他性能的前提下，盡可能的減小電機的齒槽轉矩[10-11]。本文采用分組槽口偏移的方法進行優化，將每6個定子槽分為一組(如圖7(a)所示)，假設一組中，槽口沿逆時針方向編號為1～6，則1號槽口向右偏移1°，2號槽口向右偏移(2/3)°，3號槽口向右偏移(1/3)°，4，5，6號槽口偏移角度分別與3，2，1號相同，而偏移方向相反[12]。

圖7 槽口偏移模型以及改進前后的齒槽轉矩

采用槽口偏移前后的齒槽轉矩對比圖如圖7(b)所示，詳細數據對比見表4。由圖和表可知，加入槽口偏移后，齒槽轉矩的峰-峰值降為原來的10%左右，齒槽轉矩的周期約為改進之前的1/4,提高齒槽轉矩的基波頻率，大大降低齒槽轉矩的幅值。

表4 槽口偏移前后齒槽轉矩的對比

圖8 槽口偏移前后A相感應電動勢波形對比

3.2.3 隔磁措施

由于轉子隔磁橋處存在較大的漏磁，這一方面使永磁體的利用率降低，降低了系統效率。另一方面也使得該處的氣隙磁密有較大的下降，對應的空載感應電動勢每半個周期的梯形波寬度變窄。為改善這一情況，在該處開一個寬2 mm，深3 mm的隔磁柵，加隔磁柵前后的徑向氣息磁密沿周向的分布圖如圖9所示，由圖可以看出，增加隔磁柵后的徑向

圖9 帶隔磁柵電機模型以及增加隔磁柵前后氣隙磁密分布氣隙磁密波頂變寬。

圖10為增加隔磁柵前后的空載感應電動勢對比圖，由圖可以看出增加隔磁柵后，空載感應電動勢的波頂變得更加平穩，這使得發電機接整流電路之后的輸出電壓升高，同時紋波有所減小。

圖10 增加隔磁柵前后A相感應電動勢對比

4 樣機測試

為了獲得增程器的整體性能，發動機與發電機相結合進行了系統測試。測試系統使用四沖程小排量汽油機作為增程器發動機的測試方案。圖11所示為優化后的樣機以及樣機性能測試臺。

圖11 13 kW永磁發電機樣機及增程器系統實驗臺

發動機的設計轉速為4 000 r/min，該轉速能較好的發揮發動機的功率，同時又能維持比較低的機械損耗。圖12 為發電機在兩種工作狀態下的相電流波形。其中圖12(a) 為發電機工作在發動機起動狀態時A相電流的波形，當永磁同步發電機拖動發動機轉動到1 000 r/min以上時，發電機開始撤掉拖動扭矩，發動機將進入啟動程序。圖12(b) 為發電狀態下電機轉速穩定在3 600 r/min時的A相電流，電流的峰值為42 A。

圖12 電機的相電流波形

圖13為樣機在不同轉速下的效率以及經過三相整流橋后測得的直流電壓值以及發電機效率。根據上述數據可以看出當轉速在3 000～3 600 r/min時額定輸出電壓在320 V到380 V之間，發電機輸出的電功率在7～13 kW, 效率平均在90%以上。

圖13 發電機特性曲線

5 結 語

本文對城市緊湊型EREVs的工況進行了分析，得出了增程器用永磁發電機的獨有的設計要求，討論了滿足這些設計要求應采取的設計及優化措施，最后遵循該過程對一臺永磁發電機進行了改進，通過對比分析可知，改進后的永磁發電機更加適應增程器的工作要求，有利于降低EREVs成本，增加電動汽車的續駛里程，減少整車重量以及提升整車的舒適性，由此驗證了本文分析的合理性。該分析過程和設計結果可以為后續EREVs用永磁同步發電機的研發提供參考。

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Design and Improvement of PMSG for Compact EREVs

WANGXiao-yuan,LüHai-ying

(Tianjin University,Tianjin 30072,China)

The operating conditions of urban compact extended-ranger electric vehicles (EREVs) were analyzed, and the design requirement and specification of generator which applied in compact EREVs were discussed. Based on the special characteristics, the power demanded of extended-ranger was defined. One of traditional permanent magnet synchronous motor was improved to meet the application of urban EREVs.

electrical vehicle; compact extended-ranger; permanent magnet synchronous generator; structure optimization

2016-03-09

TM341;TM351

A

1004-7018(2016)12-0001-05

王曉遠(1962-)，男，博士，教授，研究方向為電機電磁場的分析與計算、特殊電機與電器的設計與控制。