輕量新能源汽車應用開關磁阻電機系統匹配的研究

張紅波

電驅動系統是新能源汽車的心臟，它包括電機和驅動系統控制器兩大部分。本文研究一種小功率，適用于輕量化的新能源汽車開關磁阻電機系統匹配問題。

開關詞組電機是一種典型的單邊單勵機電能量轉換裝置，其運行原理是載流繞組產生的磁通要走磁阻最小的路徑，利用雙凸極結構磁導變化而產生磁阻轉矩。由于電動汽車攜帶的電池電能有限，電機又是EV的一個固定載荷，因此要求電機驅動系統效率高，體積小，重量輕，所以要滿足功率和節能的需要，驅動電機和整車的匹配尤為重要。本文通過從幾個方面分析研究開關磁電機與整車性能匹配問題。

開關磁阻電機的單體系統設計

整體結構計算

根據開關詞組電機輸出方程如下：

其中，D_I標題代表的是轉子外徑;L_stk標題代表的是鐵心疊長;B代表的是磁負荷，通常在0.36T至0.62T這一范圍;A代表的是電負荷，通常在15000A/m至30000A/m這一范圍;k_i和k_m代表的是電流系數;Pem代表的是電磁功率，計算公式如下：

需要對電機尺寸詳細計算，將細長比λ進行引入，此時計算公式如下：

λ=Dr/Lstk

能夠對電機性能、經濟指標產生直接影響的因素為λ，若λ值較小，電機細長，無論是啟動還是調速都更加便捷，但通風條件較差;若λ值較大，電機粗短，此時電機特點與λ值較小相反。

電機控制方案

拋開控制系統的具體特點，單獨討論電機性能是不準確的。優秀的電機性能只有通過高可靠性的控制器和先進的控制策略來實現。由于SRD系統整體性能在很大程度上取決于系統各組成部分間的相互配合，因此，為了優化系統設計、提高系統性能，有必要將SR電機、控制器以及控制策略作為一個整體進行研究。

驅動控制系統綜合駕駛員指令、當前車輛狀況、電池管理單元BMU、電機控制器的狀態信號發出電機控制信號。正常“轉矩控制”情況下，0—5V的模擬量在電動時為電機轉矩（功率）給定信號，停車充電或再生制動時為電機發電功率（電流）給定信號，“轉速控制”情況下，0—5V的模擬量定義為電機速度給定信號。車輛起步加速時，電機“電動”。車輛減速停車時，根據蓄電池電量狀態，電機“發電（制動）”，回收能量。

開關磁阻電機噪聲對整車NVH影響的抑制

開關磁阻電機在當前應用中，存在噪音、震動的問題，因此，噪聲綜合分析與處理成為當前工作人員的首要工作任務。

開關磁阻電機噪聲的現狀

開關磁阻電機的噪聲問題是它最受爭議的一個問題，盡管通過在電機結構、工藝以及控制方式等方面進行改進而消除噪聲的研究目前大有進展，但開關磁阻電機的噪聲研究仍未達到一個令人滿意的水平。開關磁阻電機的噪聲是目前制約開關詞組電機在新能源汽車上應用的最大障礙。

開關磁阻電機噪聲的抑制

通過合理的設計EMI濾波器可以有效減少開關磁阻電機的噪聲。關磁阻電機可以將傳導電磁干擾噪聲進行等效，等效為一個噪聲阻抗串聯與一個噪聲源形式，并利用其自身的LISN形式，進行合理的傳輸，傳輸至現有的接收設備中，最終的目的是將噪聲源產生的噪聲傳輸至測試電阻上，進而實現最大限度的衰減，滿足當前的需求。受此影響，在進行合理的設計時，應保證自身的濾波器充分發揮出自身的能力。

開關磁阻電與整車動力性匹配分析

影響整車動力性的因素

汽車是有各個總成及零部件構成的復雜系統，整個車輛在工組時，需要各個模塊協同工作。對于動力系統而言，如果沒有很好的進行匹配，車輛不僅能耗高，而且會出現動力不足、動力不均勻等情況發生。對于傳統內燃機車輛，影響整車動力的主要因素包括發動機特性、變速器速比、整車質量等，尤其是發動機與變速器的匹配會直接影響整車動力性能。發動機的工作特性決定了低速和告訴時不能輸出很大的扭矩，最大扭矩的轉速區間非常小，所以為能配合好發動機的工作特性，要選擇合適的變速速比，以保證發動機能隨時有良好的扭矩輸出。相對于內燃機車輛，電動汽車的動力源來于電動機，而電動機的工作特性與發動機區別很大，它能夠在非常寬泛的轉速區間輸出很大的扭矩。甚至在起步階段就可以輸出足夠大的扭矩以保證車輛的加速性能。這也是為什么很多電動汽車上面只安裝有減速器，而沒有變速器的原因。對于開關磁阻電機而言，雖然啟動轉矩較大，但是功率密度相對較低，所以應用于電動汽車上，主要存在車輛的爬坡動力不足、能量利用率不高等問題。

整車動力系統匹配解決方案

①優化電控系統。通過優化電機控制系統和整車控制系統，電機控制系統通過算法優化、PWM斬波調壓等措施，實現讓電動機扭矩輸出與車速更協調，保證車輛起動扭矩的前提下，均衡個工況的扭矩輸出，保證能量利用更充分，形式更加平穩。適當增加爬坡時的扭矩輸出，增強大負荷工況下的動力，彌補電動汽車動力輸出短板。

②增加變速系統。雖然增加變速器會增加整車重量，但是改變速比會有效改善動力系統性能。目前電動汽車上一般以二級減速器代替燃油車的變速器，如果用一個二速或三速變速器替換減速器，可以在基本不增加整車重量的基礎上有效改變傳動比，會大大提高整車在不同工況下的動力輸出。

③優化電機功率與整車質量匹配。理論上電機額定功率越大，動力輸出越充足，但是如果和整車質量匹配不適當，就會出現“大馬拉小車”或“小馬拉大車”的情況，這都不利于整車動力輸出和能量的充分利用。設計時可以通過仿真分析提高這兩個參數的擬合度，這樣既節省成本，又可以節省時間。也可以通過整車試驗，通過大量試驗數據的分析，提煉出不同車輛重量和電動機功率的關系，選擇最合適功率的電動機。

通過對上文所敘述的內容，由于開關磁阻電機在新能源汽車應用還不太成熟，無論從電機整體設計上還是整車系統匹配優化上都有很大的研究空間，文中通過對電機單體的設計、控制方案的設計及電機噪聲抑制方法的探究，以及對開關磁阻電與整車動力性匹配分析，可以在一定程度上滿足開關磁阻電機在輕量新能源汽車上的匹配優化。