純電動物流車用PMSM降開關損耗控制

吳雪松，戴晶，文翔，周冬冬

（武漢第二船舶設計研究所，湖北 武漢 430064）

1 引言

物流車多用于城市內部或城市之間運送貨物，具有行駛距離短、啟停頻率高、運行時間長的特點。傳統物流車多為燃油汽車，對于城市造成了嚴重的尾氣污染、噪聲污染，而且燃油車具有啟動慢、運營成本高且維護復雜的特點。電動汽車是國家近幾年大力推廣的一種以電池、電機和電控為驅動力的車種，經過近十年的發展技術較為成熟，很多城市也將電動車技術應用到物流車上，得到了良好的應用效果。永磁同步電機具有體積小、能量密度高、結構簡單的特點廣泛應用于以電能驅動的新能源汽車上[1]。近年來國內對永磁同步電機控制進行了大量的研究，其中包括仿真研究、理論研究、算法研究等[2-4]。本文依托湖北省科技廳項目“東風新一代純電動物流車關鍵技術開發及產業化”項目，針對純電動物流車的永磁同步電機和電機控制器控制算法進行研究，在汽車工作在不同的工況下電機采用不同的開關頻率，在保證電機有足夠地輸出能力時，限制電機控制器輸出，從而降低開關損耗，減小模塊發熱，提高電機控制器效率。

在《純電動物流車動力系統匹配與仿真》一文中[5]，作者對純電動物流車的動力性能和經濟性能匹配的方法，并且進行了仿真驗證，但純電動物流車在控制策略方面多采用簡單的參數匹配和功能實現上，并未完全考慮純電動物流車實際使用中的工作特點，導致整車控制效果不佳。在純電動物流車動力系統參數匹配優化與驅動控制策略研究方面[6]，有人對系統參數進行優化[7-8]，使系統各部件進行合理地匹配，使用兩檔變速器增加驅動電機在高頻工作區和高效區的重合以提高利用率，同時考慮物流車的起步、加速和減速時間優化電機控制器輸出轉矩，取得了良好的效果，但未考慮電機控制器在低速區間不需要太高的開關頻率。劉銀等人對純電動物流車的整車控制器進行了研究[9-11]，開發了一款具有硬件保護功能、CAN網絡通信、故障診斷、能量管理等功能的整車控制器，該整車控制器是在系統各部件性能良好的狀態下可以保證最佳的性能，因此還需要對電機系統內部件進行研究。在純電動物流車其他研究方面，有使用電磁減振器將傳統懸架耗散的能量進行再回收利用[12]，也有對純電動物流車動力系統參數穩健性設計[13]，動力參數匹配研究等,均取得了良好的效果。

本文針對純電動物流車電機控制器軟件算法部分，考慮了不同的物流車運行工況，包括起步、加速、剎車、上坡、高速平穩運行、低速平穩運行等狀態，使用不同的PWM頻率，在高頻區降低晶體管開關頻率，同時在啟動、加速、爬坡的工況下使用高頻的PWM，在低速平穩區、減速區使用較低頻率的PWM。本文考慮了電池提供的電壓幅值對開關損耗的影響，根據研究，當電池充電完成，電壓較高時，如果仍使用較高的PWM頻率，會增加發熱，因此應適當降低開關頻率；是哪個電壓電量不足時，應該適當增加開關頻率，以降低電機控制器輸出諧波。根據在東風汽車公司提供的整車上進行了算法驗證，得到了良好的驗證效果。

2 永磁同步電機數學建模

本課題中使用的電機為永磁同步電機，首先建立永磁同步電機數學模型。永磁同步電機在轉子坐標系下的數學模型為：

式中：

ud，uq，id，iq，Ld，Lq——定子電壓、電流、電感在d，q軸上的分量；

ψf，ψs——勵磁磁鏈和定子磁鏈；

Te，Pn，p——電磁轉矩、轉子極對數、微分算子；

δm——負載角。

由式（2）知，電機輸出轉矩受到d軸和q軸電感以及轉子磁鏈的影響。根據對永磁同步電機的研究，溫度對電機的電感和磁鏈有很大影響，因此減小電機輸入諧波，是降低電機溫度的主要方法，使用高頻的PWM可以降低諧波含量，但高頻的晶體管模塊價格昂貴，且控制復雜，且高頻的導通和關斷容易導致較高的IGBT結溫，在工程應用中會考慮成本、控制效果來選擇IGBT的頻率。

控制算法中通過計算晶體管導通和關斷的時間產生PWM波控制電動機，頻率越高，越接近正弦波，然而在頻率較高時，開關管的導通和關斷的死區時間就越短，同時開關管的導通和關斷產生的熱量越高。根據研究，PWM的頻率對開關管的發熱、諧波含量、最大輸出能力有很大影響，在IGBT選型主要考慮開關頻率、輸入電壓、輸出電流等參數。當開關頻率較高時，需設置的死區時間短，能輸出的最大電流就越??；當開關頻率較低時，能設置的死區時間長，能輸出的最大電流就大，電機控制器地輸出能力就大，但諧波含量大。

使用晶體管的導通和關斷控制永磁同步電機的原理是使用等高不等寬的調制波“替代”正弦波，達到正弦波控制的效果。使用等高不等寬的調制波控制電機具有和正弦波相同的控制效果，當調制波頻率很高時越接近正弦波。當開關頻率很高時，在一個正弦周期內開關管導通和關斷次數較多就會產生較高的熱量。

3 降低開關損耗的電機控制方法

城市內純電動物流車常處于起步、加速、減速，以及高速平穩運行和低速運行不斷切換的狀態。針對純電動物流車實際工作情況，適當地改變IGBT導通和關斷的頻率不僅可以降低晶體管的發熱，也可以提高電機控制器的效率。在電機控制器中，最高IGBT的控制頻率為10kHz，而當物流車處于低速平穩運行時降低開關頻率，為了具有良好的制動效果，在制動時采用高頻的PWM。根據試車情況不斷調校出最適當電機控制器IGBT開關頻率范圍，這種改變頻率的控制方法可以降低IGBT的開關損耗。

將純電動物流車的工況分為起步加速狀態、高速平穩運行狀態、低速平穩運行狀態、減速制動狀態以驗證控制算法的可行性，其中各種狀態指令由VCU指定給出。設計四種工況下IGBT的導通和關斷頻率如表1所示。

表1 純電動物流車各工況下開關頻率

4 降低開關損耗的電機控制方法試驗

為了驗證電機控制算法的可行性，在試驗時搭建了電機控制器測試平臺，使用測功機與被試機對施的形式進行測試。匹配電機參數如表2所示。

表2 永磁同步電機參數表

電機控制器匹配額定功率60kW，額定扭矩為450Nm永磁同步電機，強迫水冷方式，通過上位機測試不同工況下電機控制器IGBT結溫。

根據測試結果，電機控制器測試中，使用1min最大輸出轉矩測試溫升情況模擬啟動加速狀態下溫升；使用額定轉矩額定轉速測試溫升模擬高速運行狀態下溫升；使用額定轉矩0.5倍額定轉速測試溫升模擬低速運行狀態下溫升；使用1min反向扭矩發電測試溫升模擬減速制動狀態下溫升。測試結果與原純電動物流車用電機控制器在相同環境和工作狀態下溫升對比如圖1所示。

圖1 （a） 1min最大輸出轉矩IGBT溫升測試

圖1 （b） 額定狀態IGBT溫升測試

圖1 （c） 輕載狀態IGBT溫升測試

圖1 （d） 1mim最大制動轉矩IGBT溫升測試

圖1 （a）～（d）分別為原純電動物流車電機控制器IGBT溫度測試和新一代純電動物流車電機控制器IGBT溫度測試。其中棕色溫度線為原純電動物流車電機控制器IGBT溫度，藍色溫度線為新一代純電動物流車電機控制器IGBT溫度。根據圖1（a）和圖1（d），模擬電動物流車啟動和制動的狀態，為了保證電機控制器具有優良的啟動和制動性能，電機控制器晶體管開關頻率和原物流車電機控制器相同，根據測試結果，電機控制器IGBT溫升和原純電動物流車電機控制器IGBT溫升幾乎相同。

根據圖1（b），為額定狀態下IGBT溫升測試對比，可見新一代純電動物流車電機控制器IGBT溫升要低于原物流車電機控制器溫升，新一代純電動物流車溫升比原純電動物流車溫度降低3.7℃。同時根據圖1（c），為輕載狀態下電機控制器IGBT溫升測試結果，溫升特點和額定狀態下相同，溫升要比額定狀態下小，新一代純電動物流車電機控制器IGBT溫升比原純電動物流車電機控制器溫升降低5.5℃。

課題組把研制的電機和電機控制器安裝在由東風汽車公司提供的整車上進行了靜態調試和路試，通過不斷地對不同路況下電機控制器開關頻率進行調校，得到了良好的控制效果，控制效果滿足預期，同原純電動物流車電機控制器IGBT溫升相比，各工況下新一代純電動物流車電機控制器IGBT溫升均有所下降，驗證了降低開關損耗的純電動物流車用電機控制算法的可行性，同時根據測試，新一代純電動物流車用電機控制器增加了電機控制器效率。

5 結論

本文根據“東風新一代純電動物流車關鍵技術開發及產業化”項目的子課題“東風新一代純電動物流車用電機及控制器關鍵技術開發”對影響電機控制器IGBT結溫的影響因素進行了研究。針對純電動物流車在城市內的實際工況，設計了不同的IGBT開關頻率，同時根據不同的電壓等級調校了IGBT的開關頻率，根據實車試驗，以及數據測試結果，在相同的水冷狀態下，相比于原純電動物流車的電機控制器IGBT結溫有所下降，電機控制器效率有所增加，驗證了算法的可行性。