（控制理论与控制工程专业论文）电动汽车电机驱动系统效率最优控制研究.pdf

摘要 随着能源、环保等方面问题的闩益突出，电动汽车( e 1 e c t r i c v e h j 【：le ，e v ) 会成为2 l 世纪的重要交通1 + 具，但电动汽车以蓄电池作为 动力源，续驶罩程受到了限制。实现电动汽车电机驱动系统的高效率，增加 续驶公罩数，对电动汽车的发展具有非常重要的意义。如何实现电机驱动系 统的效率最优控制是目前业内普遍关注的一个问题。 本文针对电动汽车电机驱动系统的效率最优控制问题进行研究。在综 述国内外有关文献的基础上，分析了电机驱动系统各部分的损耗，给出r i 乜 机总损耗巾铜损和铁损之f b j 的关系。通过建立考虑铁损的感应电机物理模 型，推导出r 考虑铁损的感应电机动态、稳态方程及等效电路图。应j = j 稳态 模型，建。了用了二效率最优捧制的感应电机损耗模型，给出了效率最优控制 算法。 在上述分析的基础上，本文将定子磁链幅值恒定条件下矢量控制策略 应用于电动汽车电机驱动系统中，给出了效率最优控制与矢量控制相结合的 设计方案。最后，应用m a t l a b 对效率最优控制方案进行了仿真，对电动汽 车不同工况下这一方案的有效性进行了研究，给出了磁链、效率及感应电机 的经济运行区曲线。研究表明，采用效率最优控制策略后，电机的高效运行 区域明显增大。 关键词：电动汽车感应电机矢量控制效率最优控制 a b s t r a c t e l e c t r i c a lv e h i c l e ( e v ) w i l lb e c o m ea ni m p o r t a n tv e h i c l ea sam e t h o dt os o l v e t h ei n c r e a s i n g l ys e r i o u s p r o b l e mo fe n e r g ya n de n v i r o n m e n ti n t h e2it h c e n t u r y b u tt h ed r i v i n gd i s t a n c eo fe vi sl i m i t e db e c a u s eo ft i mc a p a c i t yo fi t s s t o r a g e b a t t e r y s o ，i m p r o v i n gt h ee f f i c i e n c yo fd r i v es y s t e mi ne v m a k e st h ed e v e l o p m e n t o ft h ee vs i g n i f i c a n t h o wt or e a l i z et h ee f f i c i e n c y o p t i m i z e dc o n t r o lo fm o t o r d r i v es y s t e mi sac o m m o n l yc o n c e r n e dp r o b l e mi nt h i sf i e l d t h i sp a p e rs t u d i e st h ee f f i c i e n c y - o p t i m i z e dc o n t r o li nt h em o t o rd r i v es y s t e mo f e vi nt h i s p a p e r ，t h e l o s s e si nt h ed i f f e r e n t p a r t s o fam o t o rd r i v e s y s t e m a r e a n a l y z e di nd e t a i l t h e na ni n d u c t i o nm o t o r p h y s i c a lm o d e lc o n s i d e r i n gi r o nl o s s e s i s e s t a b l i s h e d ，a n d t h e c o r r e s p o n d i n gd y n a m i c s t a t e e q u a t i o n s ，s t e a d y s t a t e e q u a t i o n s a n de q u i v a l e n tc i r c u i td i a g r a ma r ei n d u c e do nt h eb a s i so ft h e s t e a d y s t a t em o d e l ，t h el o s sm o d e lu n d e rt h ee f f i c i e n c y o p t i m i z e dc o n t r o li nt h ei n d u c t i o n m o t o ri ss e tu p ，a n da ne f f i c i e n c y - o p t i m i z e dc o n t r o la l g o r i t h mi sp r o p o s e d ， f i n a l l y ，ar e a l i z e ds c h e m ea s s o c i a t i n gw i t ht h ev e c t o rc o n t r o ls y s t e m ，w h e r e t h es t a t o rf l u xm a g n i t u d ei s c o n s t a n t ，i sd e s i g n e do nt h eb a s i so fa b o v ea n a l y s i s t h ee f f i c i e n c y o p t i m i z e dc o n t r o ls c h e m ea p p l i e du n d e rd i f f e r e n tc i r c u m s t a n c e si n e vi s s i m u l a t e d ，a n dt h ee f f i c i e n c yo ft h es c h e m ei sa n a l y z e d f u r t h e r m o r e ，t h e f l u xc u r v e s ，e f f i c i e n c yc u r v e s ，a n dt h ee c o n o m i c a lp e r f o r m a n c ea r e ao fi mi s g i v e n r e s p e c t i v e l y t h es t u d ys h o w st h a tt h eh i g he c o n o m i c a lp e r f o r m a n c ea r e ae n l a r g e s o b v i o u s l ya f t e rt h es c h e m ei sa d o p t e d k e y w o r d s ：e l e c t r i c a lv e h i c l e ( e v ) i n d u c t i o nm o t o r v e c t o rc o n t r o l e f f i c i e n c y - o p t i m i z e dc o n t r o 独创性声明 奉人声明所呈交的学位沦文是本人在导师指导下进行的研究工作和取 得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨生盘鲎或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已存论文中作了明确的说明并表示了谢意e 学位论文作者签名当藉莉签字日期：加3 年7 月i 口1 l 1 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘鲞盘茎有关保留、使用学位论文的规 定。特授权鑫盗盘茔可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借 阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名；益孝车躺 导师签名：翟乏笔喜 签字日期：劲o ，年1 月i 。f 签字| 1 期：知哆年，月。h 笫章绪论 1 1 课题的提出 第一章绪论 11 1 课题的来源 本课题研究的内容来源于国家科技部“十五”8 6 3 电动汽车重大专项一 复利( x l ) 纯电动轿车电机及控制系统( 见科学技术部文件：关于“十五”8 6 3 计划电动车重大专项第二批课题立项的批复一国科发商字 2 0 0 2 1 5 9 号) 。 项目总的要求为：研制出高效率、高功率密度、高可靠性的电动汽车用电机 驱动系统。 1 1 2 课题背景 随着人类社会的进步，科学技术的发展，保护环境、节约能源的意识也 越来越强。燃油汽车对石油的消耗和对环境的污染已成为各国普遍关注的焦 点。因而，当今汽车工业势必寻求低噪声、低排放、综合利用能源的发展方 向。电动汽车不仅在能源、环保等方面显示出优越性，它还能够更快地实现 机电一体化和采用现代控制技术。8 0 年代以来，电动汽车的研制热潮在全世 界范围内兴起，其中在欧、美和日本水平较高、发展较快，正逐步由样车试 制向小批量商业化生产的方向发展。电动汽车的核心是用电气传动系统取代 内燃机动力系统，用电池取代汽油作为车载能源，在实现零排放或少排放的 前提卜i ，满足与燃油汽车相似的各项性能、价格指标要求。可以预见，电动 汽车将是2 l 世纪的重要交通_ _ l ：具。电动汽车很孽要的一个指标就是续驶晕 程，即电池次充电后的续驰距离。一辆燃油汽车带5 0k g 汽油约可行驶 7 0 0 k m ，如改装为带4 0 0 k g 铅酸电池的电动汽车，则只能行驶1 0 0 k m “。玎发 高质量的新型电池是最根本的解决办法，而在现有电池技术条件下降低电机 驱动系统的损耗也是非常重要的一环。 1 1 3 研究意义 提高运行效率可以分为两个方面，一个方面是当电机处于制动状态时， 第一章绪论 控制器能高效率地将机械能转化为电能反馈回电池。另一个方皿是当电机处 j 二牵引状态低负荷运行时( 即出现“大马拉小车”现象时) ，通过建立驱动系 统中损耗l j 控制量的关系，得出实现最大效率的控制律，实现牵引电机存最 优效率的i 作方式下运行。 研究感应电机效率最优控制技术不仅羽电动汽车意义重大，而且列整个 礼会环境和幽民经济能源节约有深远的影响。感应电机系统是应用最广泛的 传动系统( 在工业生产和生活中感应电机所占份额达6 0 ) ，目前在工矿企业 中使用着大量的交流感应电机( 包括3 8 0 v 6 6 0 v 低压电机和3 k v 6 k v 中压电 机) ，其中有相当多的还处于非经济运行状态，白白地浪费掉大罱的电能。究 其原因，大致是由以下几种情况造成的： ( 1 ) 由于大部分电机采用直接起动方式，4 6 倍的起动电流造成巨大 的能量损耗，同时也造成对电嘲及拖动系统的冲击和事故。 ( 2 ) 在进行电机容量选配时，往往片面追求大的安令余量，鼠层层加码， 结果使电机容量过大，造成“大马拉小车”的现象，导致电机偏离最佳工况 点，运行效率和功率因数降低。 ( 3 ) 从电机拖动的生产机械自身的运行经济性考虑，往往要求电力拖动 系统具有变压、变速调节能力，若用定速定压拖动，势必造成大量的额外电 能损失。 美国早就颁布实施节能法，截止1 9 9 7 年1 0 月，美国不准生产非节能电 机。中国也已实施能源法。可见，在保证动态品质前提下的最大效率控制技 术必将成熟起来，并且有广泛的应用前景。对于电机及其驱动系统的设计者 柬说，高性能和高效率是努力追求的目标。 1 2 电动汽车电机驱动系统概述 12 1 电动汽车电机驱动系统结构”“4 5 1 电动汽车是以车载电源为动力，用电机驱动车轮行驶，符合道路交通、 安全法规各项要求的车辆。它是涉及到机械、电力、电子、计算机控制等多 种学科的高科技产品。电动汽车的关键技术包括蓄电池技术及电池管理，车 体技术，电机及其驱动控制系统。电动汽车是由车体、电机驱动系统、储能 第审绪论 i 乜池和能量管理系统组成的，其中电机驱动系统是最关键的部分之 。 电动汽乍驱动系统由牵引电机、控制系统( 包括电机驱动器、控制器及 传感器) 、机械减速及传动装置、车轮等构成。控制系统接收加速踏板( 相当 于燃油车的油门) 、刹车和p d r n ( 停车、前进、到车、空挡) 、转向盘的输出 信号，经过信号处理，输入到电机驱动器，控制驱动电机转速和扭矩，再通 过机械传动装置，驱动车轮。 1 2 2 电动汽车工况对电机驱动系统的特殊要求“”。1 电机驱动系统除了具有普通电气传动的共性外，还应满足电动汽车特定 用途的要求。电动汽车是一种在陆地上露天运行、结构紧凑、具有车载能源 的行走机械，工况复杂。既要能高速飞驰，又要能频繁启动、制动、卜f 坡、 快速超车、紧急刹车：既要能适应雪天、阳天、盛夏、严冬、雪后撒盐等恶 劣天气条件，又要能承受道路的颠簸震动，还要保证司乘人员的舒适与安全。 电动汽车的核心，是要用电气传动系统取代机械推进系统，用电池代替汽油 作为车载能源，在零排放或少排放的前提f ，满足燃油汽车各项性能、价格 指标的要求。因此，所设计的电机驱动系统应该满足以下几点要求。 ( 1 ) 基速以下大转矩以适应快速启动、加速、负荷爬坡、频繁起停等要求， 基速以j - d , 转矩、恒功率、宽范围以适应最高车速和公路飞驰、超车等要求。 ( 2 ) 整个转s e 转速运行范围内的效率最优化，以谋求电池一次充电后的 续驰距离尽可能长。 ( 3 ) 电机及电控装置结构坚固、体积小、重量轻、抗颠簸振动。 ( 4 ) 操纵性能符合司机驾驶习惯，运行平稳，乘坐舒适，电气系统失效保 障措施完善。 ( 5 ) 荦传功率的系统设备价格尽可能的低。 各种电动汽车所要求的驱动系统电机输出特性曲线如图卜l 所示。可见， 电动汽车驱动电机典型的输出特性主要包括两个工作区：( i ) 基速以下的恒 转矩工作区，该区间主要保证电动汽车的载重能力。( 2 ) 基速以上的恒功率 工作区，孩区i n j 保证电动汽车有充足的加速空问。 第一章绪论 幽1 1不周汽车的驱动输出特性 1 2 3 电动汽车驱动系统不同电机性能比较“”“1 选用小型轻量的高效电机，对目前电池容量较小，持续行驶里程较短的 电动汽车现状显缛尤为重要。目前在电动汽车中，主要的电机驱动系统有直流 i 电机调速系统、感应电机润速系统、永磁同步电机调速系统和丌芙磁阻电机 凋速系统。 直流电机驱动系统调速方便，改变输入电压或电流就可以对其转矩实现 独立的控制，进行平滑的调速，具有良好的动态特性和调速特性，并且有成 本低、技术成熟等优点。但是，直流电机的绝对效率比较低，体积与质量较 大，而且由于存在电刷与机械换向器，不仅限制了电机的过载能力与速度的 进一步提高，而且长期运行时，碳刷和换向器的维护量大。另外，由于损耗 存在于转子上，使得散热困难，温升增高，限制了电机转矩重量比的进一步 提高。由于直流电机存在上述缺陷，因而在现代电动汽车中应用越来越少。 开关磁阻电机是由磁阻电机和开关电路控制器组成的机电一体化新型 响速电机。开关磁阻电机工作时，依次使定子线圈中的电流导通或截至，电 流变化形成的磁场吸引转子的凸出磁极从而产生转矩。开关磁阻电机结构简 坼，转子上没有绕组、磁铡或滑环，适合高速运行。开关磁阻电机在电动汽 车l 没有获得广泛应用的主要原因在于力矩波动及电机噪音过火。目前应用 丌关磁阻电机的驱动系统仍然很少，这类电动汽车有克劳瑞得公卅的“l u c a s ” f b 动汽车。 永磁电机是一种高性能的电机。具有体积小，重量轻，结构简单，效率 商，控制灵活的优点。由于永磁同步电机转子为永磁体，无法调节，必须通 第一章绪论 过调节定r 电流，增加定子电流直轴去磁分量束削弱磁场。但这样会增大定 j 二的通电电流，增加系统的铜耗。同时，永磁电机的磁钢价格较高，磁。性能 受温度振动等因索的影响，过载能力受控制器限制。 感应电机用于电动汽车卞要是由于它具有结构简单，可靠性高，免于维 修等优t l ，另外矢量控制的应用又使之具有了类似于直流电机的优良特性， 故较多应用于电动汽车之中。例如尼桑公司的“f e v ”电动汽车，美国通用汽 车公司的“i m p a c t ”电动汽车等，均采用感应电机作为驱动电机。但是感应 电机的效率比永磁电机和开关磁阻电机低，特别是在低速运行时，效率更低。 同时，感应电机的参数变化对其控制效果具有较大影响，因此，必须对感应 电机的参数进行辨识，从而使电机具有良好的运行性能。 综合比较几种调速系统，感应电机依靠其优势近期仍是电动汽车f _ c l 机驱 动系统中常用电机。从目前的实践来看，对于感应电机，矢量控制技术最好。 采用矢量控制，对定予电流两分量实现解耦，可以象直流电机那样分别控制 转矩和磁通，获得快速u 向应和精确控制的高性能驱动系统。但是，传统的感 应电机矢量控制技术，在恒转矩范围内，电机的励磁电流保持恒定。当电动 汽车在水平路面低速行驶时，电机的效率降低，整个驱动系统的效率也降低。 在电动汽车中，为了提高续驶里程，效率是一个重要的指标。效率最优控制 技术正是基于这样的目标提出来的。在矢量控制技术基础上，结合效率最优 控制技术，来提高感应电机的效率。 1 3 电动汽车电机效率最优控制综述 1 3 1 电动汽车电机效率最优控制的实质”4 3 交流h = l 机是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统。由于交流电机只 有一个三相电源，磁通的建立和转速的变化是同时进行的，它的电压( 电流) 、 频率、磁通、转速之间相互影响，感应电机变频调速时需要进行电压( 或电 流) 和频率的协调控制，有电压( 电流) 和频率两种独立的输入变量，在输 出变量中，除转速外，磁通也为一个独立的输出变量。由于交流电机的数学 模型是一个强耦合的多变量系统，可以通过不同的电压( 电流) 与频率的组 合来得到所需要的转矩和转速，此时电机产生的损耗并不相同。因此，效 第一章绪论 率最优控制的实质就是电机在整个运行范围内的每一个工作点( 即电机的输 出转矩和输出转速所构成的平面上任意一个点) 稳定运行时所需要的不同电 压( 电流) 和频率组合中，寻求使电机损耗最小的电压( 电流) 和频率。那 么，如何获得使电机损耗最小的电压( 电流) 和频率是效率最优控制的关键。 1 32 电机效率最优控制研究现状叭川 目前，关于电机驱动系统效率最优控制技术方面的研究引起了电动汽车 领域专家的广泛关注。美国、日本和韩国等国在这方面的研究工作取得了一 定程度的进展。而我国在这方面的研究几乎是空白。美国d s k i r s c h e n 和 d k n o v o t n y 等人在八十年代中后期曾经对感应电机变频调速系统效率最优 控制技术进行过比较系统的研究：s c p e a k 等人在八十年代中期就展开了电 动汽车感应电机驱动系统损耗问题的研究；b k b o s e 领导课题组研究这一领 域已数年，于1 9 9 5 年实现了模糊控制在线效率最优，在实验室取得了一些成 果，1 9 9 7 年对神经模糊控制( 基于b p 训练算法) 在线效率最优方案进行了仿 真研究，现正在进行实验研究，准备把它应用在电动汽车驱动系统中。日本 研究效率最优控制也是比较早的，n o b u y o s b im u t o h 等人通过控制磁场电流 分量和转矩电流分量的比例来实现效率最优控制技术，已经在电动汽车上实 验。韩国h g k i m 等人也是在8 0 年代中期曾经研究过通过控制转差间接控制 磁通来优化效率；g y u s i kk i m 等人在8 0 年代末开始研究这课题，1 9 9 2 年他们提出：不需要坐标变换而实现磁通与速度解耦，采用f i b o n a c c i 搜索 算法实现在线最优效率控制。还有不少学者建立了感应电机的损耗模型，提 出了各种规律( 函数) ，以控制某种变量实现效率最优控制，也有人采用实时 计算损耗来控制变量达到效率最优控制的方法。学者们针对各种不同控制变 量，进行了理论研究、仿真和实验，取得了不少成果。 通过对目前关于电机效率最优控制的有关文献进行分析，按照是否使用 损耗模型来分，电机效率最优控制技术可以分成两大类，一类为基于损耗模 型效率最优控制方法( l m c ) ，另类为在线搜索效率最优控制方法( s c ) 。这 两种控制方法都能够使电机的损耗达到最小，只是采用的方式不同。基于损 耗模型效率最优控制是一种前馈式控制方法。它首先需要根据电机参数及所 需控制变量列出与电机损耗相关的目标函数模型，目标函数模型可以代表电 6 第一章绪论 机的损耗函数、电机的效率函数等，函数模型可以在电机的矢量控制系统或 非磁场定向控制系统中构建，模型中控制的变量可以为定子电压、定子电流、 定子频率、转差频率、功率因数、磁通或其它。其次对目标函数进行分析， 把问题转化为以控制变量作为自变量，以目标函数作因变量的求函数极值问 题。基于损耗模型效率最优控制方法的优点在于它能够快速的计算出使电机 损耗最小的控制变量的给定值，使电机效率最优控制得以实时实现。该方法 也有不足之处：目标函数的获得首先依赖于电机的参数，当电机参数发生变 化时，如果不及时地在线识别出电机参数，那么只能获得电机的次最优控制， 而且，杂散损耗和机械损耗并不是固定不变的常数，精确的目标函数将会变 得很复杂，需要更复杂的运算。在线搜索效率最优控制不需要列出和损耗有 关的目标函数。电机在一定的转矩和转速下输出的功率保持不变，不断的检 测电机的输入功率，通过在线地调整控制变量使电机的输入功率向最小方向 发展。目前已经有文献提出在感应电机的标量控制和矢量控制中实现在线搜 索效率最优控制方法。但是许多文献都没有提供出一种简单，有效，快速的 最优控制算法。一般的算法都是凭经验给出收敛算法步长，收敛速度较慢。 另外，要对输入功率进行精确的检测，因此对系统增加了较高的硬件要求， 为系统的实现带来了不便。 1 3 3 电机效率最优控制存在的技术问题 目前效率最优控制技术还存在以下一些问题：( 1 ) 磁通减弱，转矩响应变 慢。如果方案不合理，严重情况会引起转矩波动造成振荡，甚至不稳定。( 2 ) 直流输入功率测量不准确或其变化极小，此时控制算法选择不当则会使算 法收敛过慢甚至不收敛，严重影响效率最优控制效果。( 3 ) 最大效率控制方案 大多数是建立在电机数学模型基础上的，这种方案是行之有效的，但是其中 也存在一个关键问题：所采用数学模型是稳态线性模型，忽略饱和效应等非 线性因素和温度、集肤效应等因素对参数变化的影响，至今感应电机驱动系 统的非线性动态损耗模型还未建立起来，缺乏进一步的理论分析。温度饱和 对这些方法的控制精度影响非常大，特别是转子电阻的变化使其控制不具备 鲁棒性。 7 第一章绪论 1 4 本文研究内容和结构 第一章介绍了电动汽车电机驱动系统效率最优控制研究的必要性，比较 了电动汽车工况下，电机驱动系统中不同电机的性能，分析了前人关于效率 最优控制的研究成果和存在的不足。第二章对电机驱动系统的各个部分进行 损耗分析，重点分析电机定子、转子及气隙对电机损耗的影响，并说明了铁 损产生的机理，提出了电机效率最优控制的构想。第三章推导出考虑铁损时 感应电机的稳、动态模型及其等效电路，在稳态模型的基础上，给出了损耗 最小时的感应电机定子磁链幅值计算公式。第四章首先设计出基于转子坐标 系下矢量控制方案，然后在矢量控制的基础上。给出了效率最优控制方案。 第五章利用m a t l a b 工具，在电动汽车各种工况下对电机驱动系统效率最优控 制方案进行仿真，并对电机驱动系统在有无效率最优控制方案的两种仿真结 果进行分析研究。 第二章电动汽车电机驱动系统损耗分析 第二章电动汽车电机驱动系统损耗分析 为了进行基于模型的效率最优控制，需要对电机驱动系统各部分能量 损失进行分析。电动汽车电机驱动系统由电池给逆变器提供直流电源，不存 在整流环节，驱动系统主要由逆变器、电机及控制器构成。逆变器损耗和电 机损耗是电机驱动系统损耗的主要部分。本章重点对这两个环节的损耗进行 分析。 2 1 逆变器损耗分析n 0 1 u d l 图2 - 1p w m 逆变器单个桥臂电路拓补结构 图2 一l 为电力电子装置中常见的单个桥臂电路拓补结构，s l 、s 2 和 d l 、d 2 分别代表上下桥臂的i g b t 和反向续流二极管。不考虑器件的断态损 耗，则s 1 的单次开关的损失能量为开通、通态和关断三部分损耗能量之 和。d 2 的损耗为反向续流二极管通态和关断损耗之和( 二极管开通损耗相对 较小，可忽略) 。i g b t 的通态损耗主要由流过管子的电流和管子的饱和压降 来决定，而饱和压降又受流过i g b t 的电流和结温的影响。i g b t 器件上的平 均损失功率是许多次开关过程的累积。 但是，正如文献 1 1 所指明的，在整个驱动系统中，逆变器的损耗对 电机驱动系统最小损耗点的影响很小，该文献给出在调制频率为4 k h z 时， 电机运行在3 0 0 r p m ，9 0 0 r p m 和1 5 0 0 r p m 的工况下的损耗一磁通曲线如图2 2 所示。 9 第二章电动汽车电机驱动系统损耗分析 暑 看 一* “气r “i - “h、 i hl - ；r 一 | ! 姜 ”繁孓； ：攀 h - l 一上， 辛”：耋；矸 ；“：一“学 ”“飞 美 “帆i | hl l = 二譬 。帆r l卜 一 ，一 、| 一j 夕 爹 r 一 、i二旁矸 、 一l ， i ：羞盘：= ：怒r ； b 竹”n 舶”哇l ”“鸱 “ 4 畔：p 辞“ i x 弋， 飞 乡冬 “姆 。= 多 。 (一1 o 圭= ；彳i ：燃麓2i l 图2 2损耗一磁通曲线图 图中用实心圆点表示驱动系统最小损耗工作点，用星点表示电机最小 损耗工作点。由图中可以看出，在调制频率为定值，不同转速下驱动系统的 最小损耗运行与电机最小损耗运行所对应的磁通给定几乎相等，只是在电机 转速增大时，两个最小损耗点对应的磁通给定才会出现不大的偏移。可见， l o 点。善 第二章电动汽车电机驱动系统损耗分析 考虑或不考虑逆变器的损耗，对电机驱动系统最小损耗点的影响不大a 这 样，驱动系统效率最优问题就等价于求解电机效率最优问题。 2 ，2 感应电机定子、转子、气隙对损耗的影响”引 感应电机的定子是由定子铁芯、定子绕组和机座三部分构成。定子铁 芯是电机磁路的一部分，它一方面存在铁阻，消耗电源的能量，另一方面作 为电机磁通回路的一部分由定子向转子传递电磁功率。为了减少定子铁芯里 的损耗，铁芯一般采用0 5 m m 厚的硅钢片叠加而成，在硅钢片的两面都涂 有绝缘漆，作为片问绝缘。在定子铁芯内圆开有槽，槽内嵌放定子绕组。定 子绕阻损耗称为定子铜损，是电机总损耗中重要的一部分。 感应电机的气隙比直流电机小得多，在中小型感应电机中，气隙一般 0 2 1 5 m m 左右。气隙是磁路的一部分。主磁通的磁路包括定子铁芯、转子 铁芯和它们问的二个气隙。气隙的磁导率很小，定子铁芯、转子铁芯的磁导 率又非常大，根据磁路欧姆定律可知，磁路中绝大部分磁势都集中作用在气 隙中。显然，当气隙较大时，要得到同样的励磁磁通，由定子电源供给的励 磁电流也就变大，电机内部的损耗也会相应的增大。从提高效率考虑，气隙 应尽可能小些。 感应电机的转子有转子铁芯、转予绕组和轴承组成的。转子铁芯是电 机磁路的一部分，它用0 5 m m 厚的硅钢片叠压而成。整个转子铁芯固定在 转轴上，或固定在转子支架上，转子支架套在转轴上。转子铁芯作为磁通主 回路的一部分，它同样会产生铁损。和定子铁芯不同的是，当电机转子旋转 时，转子内通过的交流电流频率既滑差频率一般较低，转子铁损比较小。转 子绕阻是一个闭合回路，内部流过电流时，转子绕阻会消耗能量，称为转子 铜耗。它也是电机总损耗中很重要的一部分。 电机总损耗中，还包括机械损耗和杂散损耗。机械损耗主要包括风扇 损耗及轴承摩擦损耗。一般为了减少机械损耗，应该改善风扇性能，选用低 噪音、高精度的电机专用轴承，提高电机装配质量，另外电机在低速运行下 也可减少机械损耗。杂散损耗包括杂散铁损和杂散铜损。杂散铁损是由气隙 谐波磁通相对于定子和转子铁芯表面移动而在定子和转子铁芯表面产生的损 耗以及由于定、转子间齿槽相对移动、磁阻变化使齿内磁通脉动而在齿中产 i i 第二章电动汽车电机驱动系统损耗分析 生的损耗之和。杂散铜耗是槽漏磁引起导体中电流集肤效应而使绕阻增加所 产生的损耗。减少杂散损耗的方法有合理的选择定子绕阻节矩，可以降低相 带谐波产生的杂耗。 在上述电机的各种损耗中，一般情况下铜损和铁损大约占了8 0 9 0 ， 是电机的主要损耗，机械损耗和杂散损耗所占比重较小，主要通过采取严格 的机械加工措施来减小，与控制无关。所以，电机的效率最优控制主要是基 于铜损和铁损的最小化来进行研究的。 2 3 感应电机铜损、铁损分析“朝乜8 ”4 2 4 们 2 3 1 铁损产生机理 对于图2 3 所示在规定电压下工作的铁芯线圈，其自感系数l 可认为 是常数，铁芯线圈上的感应电势为 咎重 图2 - 3交流铁芯线圈 。：一工堕 d t 铁芯线圈从交流电源中得到的瞬时功率为 p ：一8 i ：f 业 珊 在时间t t 和t z 期i i j ，输入磁路系统的能量4 眠为 = f 2 p d t = 肛 ( 2 - 1 ) ( 2 - 2 ) ( 2 3 ) 第二章电动汽车电机驱动系统损耗分析 考虑i = ( m ) w 和v = w s b 的关系，将上式改用磁场强度h 和磁感应强度b 表示，即 岷= 2 - 锣q v s d b = y 鐾2 眦( 2 - 4 ) 式中v = s t 铁；占的体积。 设铁磁材料b h 曲线如图2 - 4 所示，则在磁场强度沿曲线o a 上升时， 铁芯内储能增量可用阴影面积0 a d o 来表示( 该面积乘以铁心体积v 即为 4 既) ，且这时w 。 0 ，这说明铁芯线圈从电源吸收能量。当磁场强度沿曲 线a b 下降时，铁芯内储能的变化可用面积a b d a 来表示，且w 。( o ，这表明 这部分能量从磁路系统释放出来，返回电源。可以看出，当磁场强度从零增 加到h 。，再回到零的过程中，相当于面积o a b o 的那部分能量并不返回电 源，其中部分将储存在铁磁材料内部以形成剩磁：另一部分则将消耗于磁 滞损耗并变为热能。 b i 罗 y h 一 图2 4 铁芯线圈吸收的能量 2 3 2 铁损分析 当磁场缓慢地作周期变化，以致铁芯中的涡流效应可以忽略不计时，b h 曲线的上升和下降分支将形成一个对称的闭合磁滞回线。若磁场从+ h 。变 到一h 。，又回到+ h ，变化一个周期，铁磁材料储存的能量没有变化，但是 在一个周期内，磁路系统从电源吸收的能量( 上升过程) ，将大于返回电源 的能量( 下降过程) ，两者之问的差值，等于图2 - 5 中的阴影面积乘以铁 芯的体积v ，这就是磁场变化一周期过程中有磁滞所引起的能量损失，称为 第二章电动汽车电机驱动系统损耗分析 磁滞损耗，但磁场每秒钟要交变f 次，因此，铁芯磁路的磁滞损耗“与磁 场交变的频率，及磁滞回线的面积成正比。实验表明，该面积又与磁感应强 昌j 。牙 a b 7 畿滞陨耗 上 + 目o ，一 墙 寸 一a彦 7 c h r 图2 - 5 磁滞叫线 度最大值b 。的n 次方成正比。磁滞损耗可按下述公式计算 见= c h 归：矿 ( 2 - 5 ) c 。一磁滞损耗系数，与材料性质有关的常数。 v 一铁芯体积， n 一指数，范围在1 6 2 3 之间。 通常取n ：2 ，磁滞损耗为 仇= 南属( 2 - 6 ) 毛一铁损系数。 在交流铁芯线圈产生的是交变磁通，它不仅在线圈中产生感应电动势 而且在铁芯内也要产生感应电动势和感生电流。这种感生电流称为涡流。如 图2 - 6 所示，它在垂直于磁通方向的平面内环流着，它产生的磁通对总磁 通有抵消作用。涡流在铁芯中引起的电阻损耗，称为涡流损耗。涡流的存 在，使铁芯的b h 曲线变得比磁滞回线更宽，相应地，在每个磁化周期内 铁芯将从电源中多吸收一些能量，这部分能量就消耗于涡流损耗。不难看 出，铁芯的电阻率愈大，涡流所经的路径逾长，涡流损耗将愈小，因此电机 和变压器的铁芯都用含硅量较高的薄钢片叠成。 第二章电动汽车电机驱动系统损耗分析 图2 - 6 叠片铁芯中的涡流 应用电磁场理论可以证明，对于一定的铁芯而言，涡流损耗p 。，与铁 芯片厚度d 、磁场交变频率f 及磁感应强度最大值1 3 。三者的二次方成正比， 即 p 。= c 。d 2 厂2 b ：矿 ( 2 7 ) c 。一涡流损耗系数，由铁心材料的厚度及电阻率决定。 把它的常数项写到一起为 p 。= 七2 厂2 b ： ( 2 8 ) k 一铁损系数。 在交变磁通磁路中，平均功率损耗只有磁滞损耗与涡流损耗两种，工程 计算中通常把它们合在一起称为铁芯损耗，用p 。表示，即 p 。= 见- f p 。= 毛归：+ 七2 ，2 或 ( 2 9 ) 由上式可以看出：磁感应强度吼增大，铁损就相应地增大。而磁链又 是磁感应强度b 。对其穿越平面积分的累积结果。所以可得出结论，磁链越 大，铁损也相应越大。 2 3 3 铜损分析 图2 7 是感应电机t 型等值电路，铜损分为定子和转子铜损两部分。 圈2 7 三相感应电机t 型等值电路 第二章电动汽车电机驱动系统损耗分析 定子绕组铜损为 p 。l = m 。， ( 2 - l o ) 式中： m ，、，、r 一电机相数、每相定子电流、每相定子电阻。转子绕组 铜损为 p 曲2 = 川? ( 2 1 1 ) 、0 为折算后转子侧电流、电阻。所以，电机铜耗为 p n = m l ，? _ + m i ，? 以 ( 2 1 2 ) 由上式可以看出电流增大时，电机的铜损会增大。 2 3 ，4 效率优化控制构想 感应电机的铜损随着定予电流的增大而增大，而铁损随着磁链幅值和频 率的增加而增加。当电机输出的转矩和转速一定时，电流与磁链幅值成反比 关系。两种损耗中，一种损耗的增加势必引起另一种损耗的减少。在矢量控 制模型中，磁通可以通过调节定子电流的励磁分量i 。来实现。转矩的大小 可以通过调节定子电流的转矩分量0 来实现。定子磁场电流的减少，将 导致转子磁通的减少，从而使得铁损减少，在屯减少时，为了维持转矩不 变，则电流0 必须增加，因而导致铜损的增加。在某点运行时，铁损和 铜损之和将达到最小值，这一运行点即为电机的效率最优运行点。图2 - 8 说明了这点。 转矩t ，转速f ，浮：鼍裳：j 彳 额定磁通 图2 - 8 感应电机驱动系统的功率、损耗一磁通曲线 因此，本文效率最优控制基本思路；建立考虑铁损的感应电机模型， 构造出铜损和铁损的数学方程，以寻求不同负载和转速条件下电机效率最优 的控制算法。 1 6 第二章电动汽车电机驱动系统损耗分折 2 4 本章小结 本章主要分析了电动汽车电机驱动系统各组成部分的损耗，指出电机 损耗是电机驱动系统中的主要损耗，然后着重分析了电机的定子、转子及气 隙对电机损耗的影响，对电机铁损产生的机理进行了说明。最后对感应电机 的铜损和铁损进行分析，提出了感应电机的效率最优控制构想。 第三章考虑铁损的感应电机模型及效率优化 第三章考虑铁损的感应电机模型及效率最优化分析 众所周知，感应电机矢量控制的基本方程是在假设电机的所有参数为常 数，忽略磁路饱和及铁芯损耗的条件下得到的。而感应电机的效率最优控制 寻求的是电机总损耗的最小化，应该在上述电机模型的基础上将电机的铁损 考虑进来。铁损由定子铁损和转子铁损组成，电机正常运行时，转子转速接 近于同步转速，转子内交变电流的频率即滑差频率一般在几赫兹以下，因此 转子铁损较小，可以认为电机铁损主要为定子铁损。本章将建立考虑定子铁 损时的感应电机模型，并在此基础上推导效率最优控制算法。 3 1 考虑铁损的感应电机模型 为分析方便，以一对极感应电机为例进行讨论，图3 1 是它的物理模 型，它在定予侧增加了三相铁损等效绕组。 c a 图3 - 1 考虑铁损的感应电机物理模型 图中，o a 、o b 、o c 分别为三相定子绕组的轴线，三相定子绕组的电流、 电压和磁链分别用、屯。、j 。、。、甜 “”。、。、y 。，表示；铁损 的三相等效绕组在定子侧的轴线上，三相铁损等效绕组的电流、电压和磁链 分别用 、i 、i “。3 、蚝3 、“矿y 。3 、虮3 、y c 3 表示：0 a 、o b 、0 c 第三章考虑铁损的感应电机模型及效率优化 分别为三相转子绕组的轴线，三相转子绕组的电流、电压和磁链分别用 i 。2 、i 6 2 、i 。2 、“。2 、“6 2 、“。2 、。2 、2 、y 。2 表示；定子和转子同相绕 组轴线的夹角为氏。若记电流矢量 i m = 【i m i b l i ，2 ，i m 2 ，f ) ，f 1 电压矢量 “日缸= 【“口i ，”6 l ，u c ! “口2 ，“6 2 ，“c 2 ，“口3 ，“。3 ，甜】1 和磁链矢量 妒曲。= 妒。l ，m ，驴0 i ，p 。2 ，弘2 ，弘0 2 ，妒神，矿6 3 ，矿。3 】1 感应电机定、转子绕组的电压平衡方程为 = r a b c i a b c + 昙( 3 - 1 ) 式中，r m = d i a g r 。，月。，愿，r ，r ，r 。，如，】，r 、r ，和r 止分别为定、转 子绕组和铁损绕组每一相的等效电阻。 每个绕组的磁链是它本身自感磁链和其它绕组对它互感磁链之和，磁 链方程可以表达为 三招 工1 日 三2 口 三3 8 工c c 工l c 三2 c 上3 f 三m 三舶三 cl l 2l _ 3 三三肼三三l 日2 三8 3 三。l 。l c 6l c il c 2l c 3 l 。l l 。l 。ll 。2l 厶。上厶。三m厶2岛3 三。3 厶3 三2 3 三” ( 3 2 ) 对于式( 3 2 ) 中电感矩阵前六行与前六列与不考虑铁损时的电机电感矩 阵相同，矩阵的后三行与后三列是由于增加了铁损等效绕组所产生的电感矩 阵，用数字1 、2 、3 作为铁损绕组的电感矩阵辅助标号。称定子各相漏磁 链所对应的电感为定子漏感n ，由于各相的对称性，各相漏感值均相等， 同样，转予各相漏感磁链对应于转子漏感，与定子相绕组交链的最大 瓦感磁链对应于定子互感上。，与转子一相绕组交链的最大互感磁链对应于 w 咖如助伽伽伽伽助伽助伽砌砌伽 础如励如 厶厶厶厶如“如伽如如助如知如砌如 第三章考虑铁损的感应电机模型及效率优化 转子互感l 。，由于折算后定、转子绕组匝数相等，且各绕组间互感磁链都 通过气隙，磁阻相同，可认为l 。= l 。：。 铁芯等效绕组中的感应磁链由定、转子绕组交变电流感应产生。每相定 子铁损等效绕组所交链的磁链为互感磁链，因此铁芯等效绕阻各相自感为 工i i = l 2 2 = l ”= l 。l ( 3 3 ) 铁芯三相等效绕组与定子绕阻之间的位置是固定的，它们之间互感值为常数 l a l = l 日2 = k ，= 厶4 = 厶口= 厶c = 厶i l a 22 l 2 2 三一，= l 3 , t = l a t = l t a ；耻= l c t = l i e3 k z5 k 2 一净1 ( 3 4 ) 上1 2 = 2 3 = 3 i = 1 3 = e 3 2 = 工2 l = 一 。 铁芯任一相与转子任一相的位置是变化的，互感角是p 的函数。根据相互位 置的不同可分为三类，分别为 乞i = 厶2 = l 。3 = l 1 。= l 2 = l = 厶1 c o s o 上。2 = l = l d = l 2 。= l = l l 。= k le o s ( a + 1 2 0 0 ) ( 3 5 ) l 。3 = l 6 i = l 。2 = l 3 。= k = l 2 。= 厶lc o s ( o - 2 4 0 。) 为方便可将电感矩阵写成分块矩阵形式 其中 刚量 = 眇。 妒：= 渺。： = p 。 = d 。 ，：= k ： 毛= b 根据式( 3 - 3 ) 、( 3 - 4 ) 、( 3 - 5 ) 则有 厶2 l 2 2 l 3 2 2 0 ( 3 6 ) 1，j 厶 ，l1，0，j 柏 l l l r f蚶一 r r f ，划如毛k 第三章考虑铁损的感应审, t j l 模型及效率优化 l l32 l 3 l2l 3 3 l 。】 一= l 一扛 一三l l ，i h 一昙k 1 ， 一= l 卅 上。t ( 3 7 ) l c o s 0 c o s ( e 一1 2 0 0 ) c o s ( a 十1 2 0 0 ) i 三2 3 = 如= l 。i ic o s ( o + 1 2 0 0 ) s 口 c o s ( o - 1 2 0 0 ) ( 3 8 ) | c o s ( 口一1 2 0 0 ) c o s ( o + 1 2 0 0 ) c o s o l 引入d - q 两相正交旋转坐标系，它相对于定子a 相、转子a 相轴线方向 的位置如图3 - 2 所示，伊和五分别为d - q 坐标系相对于定子a 相轴线、转子 a 相轴线的角度。在旋转坐标系中d - q 轴上除了原有的定、转子轴上的4 个 绕组外，在定子d - q 轴上还增加了2 个铁损等效绕组。 q d q d 么二 图3 - 2 考虑铁损的感应电机