純電動客車驅動電機冷卻系統匹配及控制策略研究

趙杰

摘要：隨著我國的發展，我國的新能源已經十分普及，新能源汽車產業作為我國汽車工業的發展戰略，能夠有效地解決日益嚴峻的能源危機與環境污染問題。純電動客車驅動電機作為汽車唯一的動力源，其可靠性直接影響著電動汽車的性能。為了防止由于溫度過高的原因使得電機永磁體產生退磁現象，甚至影響到電機及其控制器的壽命和整車安全性，驅動電機及其控制系統的溫度控制顯得尤為重要。因此，對純電動客車驅動電機冷卻系統進行合理的匹配并制定科學有效的控制策略具有重要工程實際意義。

關鍵詞：驅動電機；冷卻系統；策略

引言

當前，能源危機和環境污染己成為全球關注的焦點問題，世界上主要汽車生產國相繼出臺了一系列的純電動客車汽車發展戰略。純電動客車因具有零排放、低噪音等突出特點也成為各大客車生產商著重發展的車型。驅動電機作為純電動客車唯一的動力源，其性能和使用壽命對整車可靠性及安全性有著極為重要的影響，電機在使用過程中產生的熱量如果不能及時散發，會使得電機溫度急劇升高，導致電機轉子中永磁體因受熱而產生不可逆的退磁現象，降低驅動電機的性能，影響永磁同步電機的使用壽命，增加整車使用成本。同時，溫度過高還會使得電機絕緣材料發生本質變化，失去絕緣能力。此外，電機控制器中一些電子元件和模塊如IGBT模塊、主控板、電源板等，也會因溫度過高而影響使用壽命，有時甚至會使元件燒毀。因此，設計有效的冷卻系統對保證驅動電機和控制器正常工作、純電動客車整車運行的安全性和可靠性都具有極為重要的實際意義。

1驅動電機熱機理分析

電機損耗與電機本體結構、材料性能、使用工況等有著密切的聯系，它主要包括基本鐵耗、基本銅耗、機械損耗、雜散損耗等。這些損耗最終轉化成熱量使電機溫度的升高。電機驅動系統是純電動客車各系統中極為重要的一個子系統，實現電能到機械能的轉化，并在制動過程中實現將整車動能和勢能轉換成電能存儲到動力電池組中增加續駛里程。基于電動汽車的使用工況及運行特點，純電動汽車選用的驅動電機應具備以下條件。.1）電機須具有較高的瞬時功率和功率密度，以滿足整車動力性能需求；2）應具有較高的使用效率，以提高單次充電的續駛里程；3）應具有較高的高低速綜合性能，以滿足整車的變速工作需求；4）應具有過載能力強、啟動轉矩大、轉矩響應快、轉速范圍寬等優點；5）震動噪音低，具有良好的NVH特性；6）可靠性強、成本較低等。永磁同步電機在新能源汽車行業有著非常廣泛的應用，利用永磁體取代轉子上的繞組，進一步提升電機性能。電機轉子的轉速與定子繞組中電流頻率始終保持一致，可以通過控制繞組中電流頻率來控制電機轉速，間接控制車速。另一個特點是高功率密度，在相同體積質量條件下能夠提供更大的動力輸出。永磁同步電機缺點是成本高且容易受溫度影響而發生退磁，退磁后將降低電機輸出功率和使用壽命。永磁同步電機主要由轉子、定子、端蓋殼體三部分組成，轉子結構的突出特點是使用了永磁體代替轉子繞組，結構簡單，可靠性較高，定子結構有硅鋼片和銅線繞組構成。

2控制系統設計及控制策略制定

2.1控制系統設計方案

本文在綜合考慮當前己存在客車冷卻系統溫度控制模式的優缺點之后，提出了基于門限值和模糊控制相結合的溫度控制方法，能夠在滿足電機及其控制溫度控制的要求下盡可能減少冷卻系統的能量損耗o冷卻系統主要是根據電機及其控制器的實時溫度T和溫度的變化率△T，進行冷卻模式的判斷，確定當前模式為門限值控制模式還是模糊控制模式。依據不同的模式確定需求的循環水泵和散熱風扇的轉速，再由相應的控制器對循環水泵和散熱風扇的轉速進行控制，根據水泵和風扇的轉速流量特性曲線，確定出相應的冷卻液流量與空氣流量，進而影響散熱器的散熱強度，改變冷卻液溫度，控制電機及其控制器的溫度在規定范圍內。

2.2控制策略制定

本文將冷卻系統的工作劃分為兩種模式：門限值控制模式和模糊控制模式。冷卻系統依據電機溫度的變化首先進入門限值控制模式，主要對水泵和風扇進行固定轉速控制，當溫度上升到一定值后采用模糊控制模式對水泵和風扇同時控制。本文選取冷卻系統開啟門限值為500C，報警溫度值為750C。模糊控制模式下目標溫度值為650C；當溫度低于開啟門限值時，電機的熱量對永磁鐵的退磁影響非常小，絕緣材料也不會受到影響，為了可以減少能量消耗，冷卻系統可以不開啟；當溫度高于750C時，永磁體將會由于溫度過高而產生退磁現象，為保證其使用壽命，此時應報警并降低電機輸出功率，減少熱量產生。在門限值溫度控制模式下，循環水泵將先以低速800rpm的轉速運行，此轉速下循環水泵輸出轉矩較大，功率較小且噪聲低具有很好的NVH特性。當溫度繼續升高后，水泵轉速切換到中速1000rpm運行，以提高冷卻液流量增加散熱。冷卻系統工作流程主要分為：初始化設置、檢測系統狀態；進行冷卻條件的判斷，如果滿足冷卻系統開啟條件，則系統按照相應的控制策略對不同狀態下電機及其控制器進行溫度控制，使驅動電機和控制器溫度控制在規定范圍.首先，進行冷卻系統初始化設置，并根據各種傳感器信號及系統狀態識別系統是否能夠正常工作，如不能正常工作系統會自動進行故障診斷并報警。然后，通過溫度傳感器進行溫度信號T的實時采集，經數字濾波處理后，計算采樣溫度值的變化值dT。當T>500C時，冷卻系統進入門限值控制模式，當500C0時或水泵以中速1000rpm運行，散熱風扇低速800rpm運行；600C750C時，表明電機及其控制器溫度過高，冷卻系統不能滿足散熱需求，此時系統將向駕駛員發出冷卻系統溫度報警并統計持續時間t，同時降低電機輸出功率，循環水泵和散熱風扇以最高轉速運行。當持續五分鐘后采取停車措施。

2.3模糊控制器設計

模糊控制原理的核心部分為模糊控制規則的制定，在設計模糊控制器時要完成以下工作精確量的模糊化：將精確的物理量轉化成相應的語言變量模糊集合，其中模糊集合的取值范圍成為模糊論域化因子及比例因子的確定、。模糊化的工作還需要包括輸入輸出變量論域的選擇、量模糊語言子集隸屬函數的選取等；模糊推理與決策：模糊推理是以模糊判斷為前提，以模糊條件為基礎，通過模糊語言規則來推理出一個模糊結果的方法。

結語

驅動電機作為純電客車唯一的動力源，其可靠性直接影響著整車的可靠性。驅動電機及其控制系統在使用過程中所產生的熱量如果不能及時散出，將會對電機的使用性能產生不良影響，甚至影響電機使用壽命及整車安全性。

參考文獻

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（作者身份證號碼：321322199004106816）