提升電驅動系統效率控制方法綜述

李帥 范雨卉 潘忠亮

（中國第一汽車集團有限公司 新能源開發院，長春 130013）

主題詞：電驅動系統效率 控制算法優化 新能源汽車

1 前言

在當前能源緊缺和環境危機的大背景下，電動汽車憑借能源利用率高、噪音小、環境污染低等優點得到越來越多的關注。各國車企及零部件供應商都在大力推進電動汽車相關產品的開發。但由于整車成本及電池技術的限制，電動汽車續駛里程短仍然是制約電動汽車快速普及的主要原因。

提升電驅動系統效率是解決問題的重要途徑。電壓、電流、轉速、功率等都是電驅動系統運行的重要參數，動力電機損耗包含多種形式：與負載電流大小基本無關的鐵損、與負載電流大小有關的定子銅損、雜散損耗以及機械損耗等。電驅動系統設計及其控制方法，將影響電動汽車各項運行性能指標。研究對電驅動控制系統效率的提升主要包括對動力電機損耗的分析和對電驅動系統控制策略的研究。

研究電驅動系統的損耗特性，可基于矢量控制思想、通過降低磁通水平降低動力電機損耗，進而實現效率優化[1]。動力電機鐵損主要受到定、轉子及氣隙磁場的影響，可采取基于損耗模型的前饋式控制方法進行效率優化[2]。

由于動力電機工作在不同的電壓和電流下，受各種損耗的影響，動力電機效率也不盡相同。中南大學盛義發和國外學者Katsumi Yamazaki在文獻[3]和[4]中在分析空間矢量寬調制電壓型逆變器的工作特點和SVPWM（Space Vector Pulse Width Modulation）輸出波形諧波成分的基礎上，提出了IPMSM（Interior Permanent Magnet Synchronous Motor）直接轉矩控制系統開關頻率優化方法，根據轉速和負載自適應控制滯環寬度值，采用零電壓矢量優化分配策略，抑制逆變器輸出電壓電流諧波，減少由諧波引起的鐵芯損耗和銅損，改善系統的動態性能，提高系統的效率。本文主要介紹三種提高系統效率的典型控制方法。

2 控制技術

豐田Prius作為世界上第一款大規模生產的混合動力乘用車，一直致力于如何研究更有效地提高電驅動系統效率。Shoichi Sasaki等學者在文獻[5]中進行了提煉和總結，方波調制、過調制、boost升壓變換電路都是提高效率行之有效的方法。

根據動力電機在d-q矢量空間的電流、電壓、轉矩特性可知（圖1），當動力電機運行在MTPA(Maximum Torque per Ampere)曲線上，其效率和輸出轉矩都會比較高。但當動力電機工作在較高轉速時，受逆變器輸出電壓的限制，必須控制電流相角增加，使弱磁深度加大，但如此動力電機運行軌跡將偏離MTPA曲線，效率將會降低。因此，盡可能的增加動力電機端電壓，保證動力電機有更多機會運行在MTPA區域會提高動力電機的效率。

圖1 動力電機d-q空間矢量特性

提升電流和電壓是提高功率最根本的兩種方法，而電流受功率器件選型的制約，因此常用的方法就是提高動力電機的端電壓，如果通過增加電池的電壓來提高動力電機的端電壓會大大提高電池包的成本，所以通過合適的調制策略提高電壓利用率則成了最切實有效的辦法。圖2是永磁同步動力電機的基本控制原理框圖。

圖2 矢量控制原理圖

電壓中只有基波可以用來輸出扭矩，其他諧波成分造成了效率的降低還會引起電流及轉矩的脈動。增加電壓波形中的基波含量，擴大動力電機運行在MTPA曲線上的工作區域，提升動力電機效率。下表1列出了各種工況下采用的不同的調制波形及其調制比。

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表1 三種調制控制方式運行工況對比[5]

由于電流PI閉環控制有著優越的轉化效率和轉矩精度，被在各種工況下得以廣泛應用。這里電壓調制方式采用了三種形式：正弦PWM調制（簡稱SPWM）、過調制PWM和方波調制。三種調制方式的最大電壓調制比如表1所示，分別為0.61,0.61-0.78和0.78。他們的優缺點也較為明顯，采用SPWM調制方法動力電機工作電流和電壓正弦度高，控制效果好，可以適用于全部的轉速范圍，但電壓利用率較低。過調制PWM適用于動力電機中速工作區。方波PWM的電壓利用率最高，但只適用于動力電機高轉速段，控制效果不如前兩種，控制原理見圖3。圖4為三種控制方式下動力電機輸出外特性。

圖3 方波控制原理圖[5]

圖4 電壓波形的控制區域[5]

Shoichi Sasaki在文獻[6]中指出：如應用以上控制策略，不用對動力電機及逆變器的硬件進行變更，實現最高效率區再提高20%是可能的。

3 變載頻控制

在動力電機控制過程中如果保持某一開關頻率不變，伴隨著動力電機轉速的增加載波比會一直減小，在高轉速區經PWM調制后輸出脈沖電壓等效的電壓會發生變化，不能得到與相電壓指令振幅相同的基波振幅，且會引入低次諧波，增加電流中的諧波含量，影響控制效果和逆變器效率[6]，因此可以根據動力電機轉速的不同采用不同的調制策略及開關頻率。

在低轉速區，采用異步SVPWM算法，此時其開關頻率為固定值，不隨動力電機轉速的變化而變化，該調制算法的載波比是隨著動力電機轉速的增加而不斷減小的，所以異步SVPWM適用于動力電機轉速相對較低的情況。此外，考慮到在整車中存在低轉速大扭矩的工況，此時動力電機具有反電勢小、三相電流大的性能特點，為此可以適當降低開關頻率，減少損耗的同時增大動力電機輸出轉矩。

在高轉速區，由于逆變器開關頻率的限制，導致高速調制策略中載波比較小，進而會造成單位調制周期中脈沖個數的減少，使高次電流諧波含量顯著增加，為了解決該問題可以采用同步SVPWM策略。

由于電動車用永磁同步電機調速范圍較廣，若僅使用單一的同步SVPWM時，動力電機在中高速區依然需要較高的開關頻率，并不能滿足逆變器低開關頻率的要求。因此還需要對同步SVPWM進行分段，不同段采用不同的調制比（圖5），進而保持開關頻率在一定的范圍之內，降低逆變器開關損耗。

圖5 同步調制載波頻率變化圖[7]

逆變器損耗主要為開關器件的導通損耗與開關損耗兩部分。考慮到需要盡量減小電流諧波，分段同步調制階段的載波比通常選為奇數。同步SVPWM中為了在較低的開關頻率下實現低電流諧波輸出的目的，需要使脈沖調制波具有三相波形對稱、二分之一波形對稱以及四分之一波形對稱的特點[8-9]。

圖6 實驗中開關頻率變化情況[7]

此外，由于采用PWM調制方法都會在定子電壓中注入一定的諧波分量，尤其在開關頻率及其整數倍附近，而動力電機也是在一定的頻率范圍內工作（圖6），在動力電機的運行過程中，這些諧波分量就有可能會與動力電機某些模態的固有頻率重合，進而產生機械共振的現象，從而使動力電機產生較大幅度的振動和令人煩躁的噪聲[10]，在這種情況下也可以通過改變異步調制的開關頻率及同步調制的載波比來避免某一特定頻率下的共振和噪聲問題。

4 DPWM調制技術

標準PWM調制技術已廣泛應用于電力電子技術中，但PWM調制信號含有大量的高次諧波，成為產生EMI（ElectroMagnetic Interferences）的 主 要 原 因 之一。應用DPWM（Discontinuous PWM）調制技術能有效地減小傳導EMI，改善系統電磁NVH特性，減少IGBT開關損耗在車用逆變器中使用廣泛。與SPWM相比較，應用不連續的正弦脈寬調制方式可使開關器件在一定范圍內保持上一刻狀態，可以減少IGBT開關損耗進而提高動力電機系統效率。對比動力電機逆變器在兩個不同調制策略下IGBT開關損耗分布情況對動力電機逆變器效率和諧波的影響[11-12]。

王青龍等人在文獻[14]中指出在SVPWM中，輸出電壓矢量幅值和角度由所在扇區的相鄰兩個基本矢量以及零矢量共同合成，在一個周期內可實現正弦脈寬調制的7段矢量進行合成進而生成連續的電壓矢量圓。而DPWM主要是從SVPWM方向出發，保持其中的零矢量狀態，將每個開關周期的開關次數減少到正弦脈寬調制開關數的2/3。

動力電機逆變器損耗主要是功率器件IGBT損耗和反向二極管損耗等組成，其中功率器件IGBT損耗占比較多，其他損耗占比較少。這里主要指開關損耗和導通損耗（圖7、圖8）。

在控制頻率及電流矢量相等時，DPWM的IGBT開關損耗均小于SVPWM，其中DPWM的開關損耗與調制比M(0.7＜M＜1.15)共同變化，其數值為SVPWM的0.577/M倍關系，在調制比較大情況下，對于SVPWM控制方案，DPWM策略可將IGBT開關損耗等約減少一半。

圖7 SVPWM和DPWM導通損耗[13]

圖8 SVPWM和DPWM開關損耗[13]

不連續脈寬調制與正弦脈寬調制相比，能量轉換效率均有不同的提升（圖9、圖10），在高負載情況下提升約0.2%，在中負載情況下提升約0.5%，低負載情況下提升約0.5～1%[14]。

由IGBT開關損耗比導通損耗高很多，不連續脈寬調制方式作為一個周期內減少兩次開關器件動作，故對IGBT損耗來說，開關損耗減少的范圍大。

圖9 SVPWM和DPWM轉換效率曲線[13]

圖10 SVPWM和DPWM諧波曲線[13]

通過對比正弦脈寬調制和不連續脈寬調制兩種調制方法，證明逆變器功率器件損耗主要是開關損耗[14-15]，并通過試驗驗證了DPWM調制的優點，并且采用DPWM調制方式在提高系統效率和降低諧波上都優于SVPWM。

5 結論及啟示

（1）在永磁同步電機弱磁區，采用過調制及方波調制的方法可以有效提高端電壓從而提高電機效率。

（2）在永磁同步電機全轉速范圍內，可以采用異步調制和同步調制相結合的調制方法，既可以保證控制效果又可以減少逆變器的損耗，同時可以兼顧動力電機輸出轉矩及優化NVH性能。

（3）DPWM調制策略與傳統SVPWM策略相比可以有效減少開關損耗，減少諧波分量以提高動力電機工作效率，進而提高電驅動系統效率。