電動汽車高效率開關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)設(shè)計

郭曉穎， 蘇建中， 馬志國， 閆志平， 高 超

(北京中紡銳力機(jī)電有限公司，北京 101102)

0 引言

電動汽車排放和環(huán)境污染度低，已經(jīng)成為世界汽車工業(yè)的新趨勢。電動汽車使用有限能源，其核心部件之一的電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)應(yīng)具備高效率特性。

開關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)(Switched Reluctance Motor Drive System，SRD)是一種新型機(jī)電一體化調(diào)速電機(jī)系統(tǒng)，由開關(guān)磁阻電機(jī)(Switched Reluctance Motor，SRM)和控制器組成。SRM本身具備起動轉(zhuǎn)矩大、起動電流小、恒功率范圍寬、不用稀土材料、結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高等優(yōu)勢，適用于電動汽車領(lǐng)域。但普通工業(yè)SRM效率較低，在電動汽車領(lǐng)域應(yīng)用受到限制。

本文通過對SRM優(yōu)選材料、優(yōu)化電磁參數(shù)及結(jié)構(gòu)方案，優(yōu)化功率電路設(shè)計控制器，綜合應(yīng)用控制策略和優(yōu)化控制參數(shù)，實現(xiàn)高效率SRM。本SRD額定點效率＞93%、高效區(qū)＞50%，可廣泛應(yīng)用于各種電動汽車。

1 SRD

SRD由SRM和控制器組成，如圖1所示，是一種新型機(jī)電一體化產(chǎn)品。SRM為雙凸極結(jié)構(gòu)，根據(jù)“磁阻最小原理”運行。SRM結(jié)構(gòu)簡單可靠，定子和轉(zhuǎn)子均由硅鋼片疊壓而成，定子上集中有繞組，轉(zhuǎn)子上沒有繞組和永磁體。SRM轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量小，約為永磁電機(jī)的1/2，空載和較輕負(fù)載時耗電小;無高速永磁渦輪損耗問題;控制方式靈活且可優(yōu)化參數(shù)多。

圖1 SRD結(jié)構(gòu)框圖

2 電機(jī)設(shè)計

由于采用雙凸極結(jié)構(gòu)和磁路存在非線性，并且高速采用單脈沖控制策略，SRM的設(shè)計難度大，設(shè)計方法復(fù)雜。影響SRM基本性能的參數(shù)主要有轉(zhuǎn)子外徑Da、定子外徑Ds、鐵心長度la、氣隙g等。首先根據(jù)要求的電機(jī)外特性曲線和機(jī)械尺寸設(shè)計主要參數(shù)，再設(shè)計極弧、極寬、軛高等參數(shù)。

SRM損耗主要包括繞組銅損、鐵損、機(jī)械損耗和雜散損耗，盡量降低這些損耗，從而提高SRM效率。繞組銅損與繞組電流有效值I和阻值Rp有關(guān)。在滿足電機(jī)軛部最大磁通不飽和情況下增加定子槽深ds，提高槽滿率Ks，可增加繞組空間和導(dǎo)線截面積，從而降低Rp和繞組銅損。鐵損與硅鋼片規(guī)格和鐵心動態(tài)磁場有關(guān)。在選用高牌號硅鋼片基礎(chǔ)上，通過經(jīng)驗分析和有限元分析，調(diào)整參數(shù)，可降低鐵損。機(jī)械損耗與軸承及空氣摩擦有關(guān)，需選用高質(zhì)量無摩擦軸承。雜散損耗原因復(fù)雜，在設(shè)計過程按照經(jīng)驗值估計計算。

本系統(tǒng)SRM要求額定功率為PN=30 kW，額定轉(zhuǎn)速為n=3 500 r/min，額定電壓U=336 V，額定點最高效率為97%，主要損耗計算如下。

繞組銅損:

式中:q——經(jīng)驗系數(shù)。

鐵損:

式中:G——經(jīng)驗系數(shù)，G=0.18e2K/p;

ρ——硅鋼片電導(dǎo)率;

e——硅鋼片厚度;

K——補(bǔ)償系數(shù)。

機(jī)械損耗:

雜散損耗估計為

總損耗為∑P=(PCu+PFe+Pfw+Pg)=842.9 W，設(shè)計此SRM效率:

3 控制器設(shè)計

SRM控制器主要包括功率電路、控制電路、驅(qū)動電路、控制電源和接口電路。功率電路是直流電源和SRM的接口，控制繞組和電源的快速且低損耗開通和關(guān)斷，提供儲能回饋路徑。控制器損耗主要在于功率電路部分損耗，合理設(shè)計功率電路是SRM調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵之一。

本系統(tǒng)采用雙開關(guān)型功率電路，如圖2(a)所示，每相包括兩個IGBT和兩個續(xù)流二極管。當(dāng)一相上兩個IGBT打開時，由電源Us向電機(jī)繞組供電;當(dāng)兩個IGBT關(guān)斷時，相電流通過兩個續(xù)流二極管反壓續(xù)流，將電機(jī)繞組磁場儲能迅速回饋到Us，實現(xiàn)快速換相，如圖2(b)實線所示。當(dāng)關(guān)閉一相上一個 IGBT，電機(jī)繞組電流在另一組IGBT和續(xù)流二極管間零壓續(xù)流，如圖2(b)虛線所示。

圖2 雙開關(guān)型功率電路

功率電路開關(guān)和續(xù)流過程中的損耗主要包括IGBT和續(xù)流二極管的損耗。IGBT損耗包括導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗。IGBT導(dǎo)通飽和電壓UCEsat導(dǎo)致導(dǎo)通損耗;開關(guān)損耗包括開通能耗Eon和關(guān)斷能耗Eoff。續(xù)流二極管損耗同樣包括導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗。續(xù)流二極管正向?qū)妷篣f導(dǎo)致導(dǎo)通損耗;反向恢復(fù)能耗Erec導(dǎo)致開關(guān)損耗。根據(jù)電機(jī)系統(tǒng)本身電壓、功率要求初步選型功率模塊，再深入比較初選模塊的損耗、開關(guān)性能、封裝形式等，選擇最優(yōu)功率模塊。本文系統(tǒng)選用新一代功率模塊，較早期模塊損耗降低20%以上，設(shè)計控制器效率達(dá)97%以上。

4 控制策略

SRM可控參數(shù)主要包括開通角、關(guān)斷角、主電路電壓和相電流上限。SRM主要控制策略包括電流斬波、電壓斬波和單脈沖三種。根據(jù)轉(zhuǎn)速選擇不同控制策略，優(yōu)化控制參數(shù)。

4.1 電流斬波

電流斬波是當(dāng)轉(zhuǎn)子位置處于電流導(dǎo)通區(qū)間時，比較相電流i與電流斬波限值iT，若i＜iT，則IGBT開通，電流上升達(dá)斬波限值;若i≥iT，則IGBT關(guān)斷，電流下降;相電流維持于斬波限值附近波動，如圖3所示，上方曲線為控制波形，下方曲線為相電流波形。電流斬波方式直接控制相電流，控制結(jié)果精確，轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)，用于低速段運行。

圖3 電流斬波時控制和相電流波形

4.2 電壓斬波

電壓斬波是當(dāng)轉(zhuǎn)子位置處于電流導(dǎo)通區(qū)間時，使IGBT工作于PWM狀態(tài)。PWM頻率固定，通過調(diào)制占空比控制相繞組上電壓有效值。如圖4所示，上方曲線為控制波形，下方曲線為相電流波形。電壓斬波時，可通過選擇適當(dāng)PWM頻率控制相電流變化率，調(diào)節(jié)占空比控制相電流幅值，用于中速段運行。

圖4 電壓斬波方式時控制和相電流波形

4.3 單脈沖

單脈沖通過調(diào)整開通角和關(guān)斷角來控制相電流，是一種有效的控制方式。在轉(zhuǎn)速和母線電壓確定時，固定開通角，增加關(guān)斷角，增加相電流;固定關(guān)斷角，減小開通角，增加相電流。如圖5所示，上方曲線為控制波形，下方曲線為相電流波形。在不同轉(zhuǎn)速時，一般將開通角固定，通過調(diào)整關(guān)斷角找到最優(yōu)相電流波形，達(dá)到最優(yōu)效率。圖6給出不同轉(zhuǎn)速點時最優(yōu)效率的關(guān)斷角趨勢。單脈沖時，轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)范圍大，電機(jī)效率較高，用于高速運行。

圖5 單脈沖方式時控制和電流波形

圖6 關(guān)斷角趨勢圖

5 試驗研究

應(yīng)用某大功率測控機(jī)對該SRD進(jìn)行測試，該電機(jī)系統(tǒng)額定轉(zhuǎn)速為3 500 r/min，最高轉(zhuǎn)速達(dá)7 000 r/min，輸出最大功率達(dá)80 kW，輸出最大扭矩達(dá)220 N·m。測試每個轉(zhuǎn)速點和轉(zhuǎn)矩點的輸出扭矩、輸入功率和輸出功率，繪制MAP圖，如圖7所示。可見本SRD最高效率達(dá)93.17%，高效區(qū)(效率＞80%區(qū)域)達(dá)72.12%，達(dá)到預(yù)定高效率目標(biāo)。

圖7 SRM MAP圖

6 結(jié)語

本文通過優(yōu)化SRM參數(shù)，選用新型IGBT模塊設(shè)計控制器，綜合應(yīng)用三種控制方式，實現(xiàn)高效率SRD。結(jié)合SRM本身起動轉(zhuǎn)矩大、起動電流小、恒功率范圍寬、可靠性高、成本低的特點，本SRD非常適用于各種電動汽車。

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