電動汽車用異步電機自適應溫升檢測裝置的研究

吳詩宇，尹瀟，顏文森

（重慶車輛檢測研究院 國家客車質量監督檢驗中心，重慶 401122）

前言

大力發展電動汽車是實現交通能源轉型的根本途徑，也是汽車產業節能減排的重要突破口。近年來，我國電動汽車產業發展已經從示范運行期進入市場推廣期，迎來了更大的發展機遇。驅動電機將電能轉化為機械能，是電動汽車不可缺少的一項關鍵部件[1～2]。

電動汽車的異步電機一般體積較小，冷卻面積小，溫升問題較為突出，電機的溫升是異步電機的重要檢測指標[3]。電機內的絕緣材料都有一個耐熱等級，如果電機溫升超過耐熱等級，會造成絕緣材料損壞，電機燒毀。不管是電機過載能力，長期負載能力還是電機輕小型化，都受限于絕緣材料的耐熱等級（即電機溫升限值）[4]。另外，如果電機溫升過高，車輛動力性需降額運行，降低電機運行功率，這種情況大多發生在大型電動汽車長時間爬坡過程中。故電機的溫升是影響電動汽車整車性能的關鍵因素。

一般來講對于異步電機發熱后最有可能因為絕緣損壞的是定子繞組[5]，由于電機定子繞組溫升由定子繞組溫度和冷卻介質溫度決定。冷卻介質溫度可以通過溫度傳感器較容易，本文重點研究定子繞組平均溫度的檢測。

1 傳統定子繞組溫度檢測方法

主要的傳統溫度檢測方法為：溫度傳感器直接采集法和電阻外推法。

1.1 溫度傳感器直接采集法

此方法為：在電機定子繞組表面裝設溫度傳感器直接采集溫度。此方法直接而簡單，但對采樣點要求很高，采樣點溫度也不能反應繞組溫平均溫度；除此之外，裝配在電機內部的溫度傳感器不易計量，第三方檢測機構不能使用這個方法進行溫度檢測。故國家檢測標準[6～7]中采用另一個方法。

1.2 電阻外推法

此方法依據定子繞組材料的電阻跟溫度的關系，間接檢測平均溫度。這種方法不涉及到計量溫度傳感器，是國家標準[6～7]中規定的檢測方法，較適合第三方檢測機構使用。

對于銅繞組的情況，電機繞組斷能瞬間的平均溫度θ為式（1）所示。

式中：Rc為繞組冷態直流電阻；R0為斷能時電阻（通過斷能后電阻與時間曲線外推到斷能時刻得到）；θc為斷能時冷卻介質的溫度(℃) 。

但此方法無法在線監控電機定子繞組溫度；并且，在半對數坐標上進行外推，相當于用半對數坐標去擬合實際的溫度與電阻曲線，這樣的擬合與實際也會有一定的偏差。

鑒于以上兩種方法存在的問題，亟需研究一種針對電動汽車用異步電機的定子繞組在線式平均溫度檢測方法。

2 基于自適應系統的溫度檢測方法

本文采用方法仍利用異步電機定子繞組的電阻與溫度的關系間接檢測溫度，在國標方法的基礎上實現在線檢測平均溫度。

首先根據異步電機原理[8]，把電機三相電壓電流轉換到α、β坐標上。

式中：iA、iB、iC為三相電流；uA、uB、uC為三相電壓；θ為轉子位置，可以根據旋轉變壓器信號轉換得到；uα、uβ為定子電壓的α、β分量，lα、lβ為定子電流的α、β分量。

定子電壓方程：

式中：ψα、ψβ為定子磁鏈的α、β分量，Rs為定子電阻，p為微分算子。

轉子電壓方程：

式中：為轉子電流的α、β分量，為轉子磁鏈的α、β分量，ω為電機轉速。

根據異步電機原理[8]整理后得到電壓模型：

同時得到電流模型：

式中：Ls為定子自感，Lr為轉子自感，Lm為定轉子互感，ω為電機旋轉角速度。

以上是系統數學模型，自適應系統可分為前饋和反饋，當前饋部分和反饋環節滿足一定的條件[9]，自適應參數辨識是收斂的。滿足此條件的自適應算法為：

式中：為待辨識參數，為待辨識參數的初始值， K1、K2為比例、積分系數，τ為積分變量，ε為誤差。

式（7）中不含定子電阻，而式（6）中含有待辨識變量，采用自適應辨識方法[10]，以電流模型為參考模型，電壓模型為可調模型，利用兩個模型輸出轉子磁鏈的誤差構成自適應律，實時調節可調模型的定子電阻，以達到可調模型跟蹤參數模型的目的。根據式（8）可以得到下圖1中的自適應算法。

式中：

自適應律如下圖1所示。

圖1 自適應律

利用異步電機定子繞組的電阻與溫度的關系，可得到定子繞組溫度。

3 溫升檢測裝置及試驗驗證

3.1 溫升檢測裝置

從檢測方法可知，檢測裝置需要實時采集三相電壓、三相電流、電機轉速，把采集數據傳輸給自適應算法，自適應系統得到定子電阻，根據電阻與溫度的關系，進而得到定子繞組的溫度，減去冷卻介質溫度，最終得到實時溫升。裝置原理圖如圖2所示。

圖2 裝置原理圖

采用高精度高速霍爾傳感器，把三相電流轉換成電壓信號傳輸給示波記錄儀，同時把三相線電壓信號、電機轉速信號傳輸給示波記錄儀，示波記錄儀通過以太網通信，把數據傳輸給算法處理計算機。

當然在試驗之前，把電機系統的相關參數輸入算法處理計算機，計算機自動生成此電機的自適應律。再根據實時采集的數據，辨識得到定子繞組的電阻。根據定子電阻間接得到定子繞組溫度，又根據冷卻介質的溫度，最終得到溫升。

3.2 溫升試驗驗證

利用某廠家的一套75kW的驅動電機進行驗證試驗，電機參數如下表1所示。

表1 電機參數

圖3 現場試驗圖

把此電機放在專用的負載臺架上，連接好本文所述的溫升檢測裝置，進行現場試驗驗證裝置的可行性，現場試驗照片如圖3所示。

通過圖3所示的臺架試驗，溫升檢測裝置檢測到的溫升與溫度傳感器直接采集法得到的溫升進行對比，結果如圖 4所示。

圖4 對比結果圖

4 結論

基于自適應系統的溫升在線檢測裝置可以實現電動汽車用異步電機平均溫升的在線檢測。這種方法克服了傳統溫度檢測裝置的不足，可作為電動汽車用異步電機的溫升檢測的輔助手段。為電動汽車用異步電機溫升的檢測提供了工具。

參考文獻

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[5] 王再宙,張春香,呂鋒.混合動力電動客車電機系統連續電動溫升及高效區研究[J].微電機,2010 (43) ∶47-49.

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[8] 秦廣煒.三相異步電動機仿真及在高效再制造中的應用研究[D].廣西大學,2016∶59-68.

[9] 陳復揚.自適應控制[M].北京∶科學出版社有限責任公司.20l5∶78-113.

[10] 楊燕,曹建光,田志宏.交流電機模型參考自適應控制系統的仿真[J].電氣傳動,2007 37 (5) ∶13-15.