輕量新能源汽車應(yīng)用開關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)匹配的研究

張紅波

電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是新能源汽車的心臟，它包括電機(jī)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)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(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)匹配問題。

開關(guān)詞組電機(jī)是一種典型的單邊單勵(lì)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換裝置，其運(yùn)行原理是載流繞組產(chǎn)生的磁通要走磁阻最小的路徑，利用雙凸極結(jié)構(gòu)磁導(dǎo)變化而產(chǎn)生磁阻轉(zhuǎn)矩。由于電動(dòng)汽車攜帶的電池電能有限，電機(jī)又是EV的一個(gè)固定載荷，因此要求電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率高，體積小，重量輕，所以要滿足功率和節(jié)能的需要，驅(qū)動(dòng)電機(jī)和整車的匹配尤為重要。本文通過從幾個(gè)方面分析研究開關(guān)磁電機(jī)與整車性能匹配問題。

開關(guān)磁阻電機(jī)的單體系統(tǒng)設(shè)計(jì)

整體結(jié)構(gòu)計(jì)算

根據(jù)開關(guān)詞組電機(jī)輸出方程如下：

其中，D_I標(biāo)題代表的是轉(zhuǎn)子外徑;L_stk標(biāo)題代表的是鐵心疊長;B代表的是磁負(fù)荷，通常在0.36T至0.62T這一范圍;A代表的是電負(fù)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(shù);Pem代表的是電磁功率，計(jì)算公式如下：

需要對電機(jī)尺寸詳細(xì)計(jì)算，將細(xì)長比λ進(jìn)行引入，此時(shí)計(jì)算公式如下：

λ=Dr/Lstk

能夠?qū)﹄姍C(jī)性能、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)產(chǎn)生直接影響的因素為λ，若λ值較小，電機(jī)細(xì)長，無論是啟動(dòng)還是調(diào)速都更加便捷，但通風(fēng)條件較差;若λ值較大，電機(jī)粗短，此時(shí)電機(jī)特點(diǎn)與λ值較小相反。

電機(jī)控制方案

拋開控制系統(tǒng)的具體特點(diǎn)，單獨(dú)討論電機(jī)性能是不準(zhǔn)確的。優(yōu)秀的電機(jī)性能只有通過高可靠性的控制器和先進(jìn)的控制策略來實(shí)現(xiàn)。由于SRD系統(tǒng)整體性能在很大程度上取決于系統(tǒng)各組成部分間的相互配合，因此，為了優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)、提高系統(tǒng)性能，有必要將SR電機(jī)、控制器以及控制策略作為一個(gè)整體進(jìn)行研究。

驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)綜合駕駛員指令、當(dāng)前車輛狀況、電池管理單元BMU、電機(jī)控制器的狀態(tài)信號發(fā)出電機(jī)控制信號。正常“轉(zhuǎn)矩控制”情況下，0—5V的模擬量在電動(dòng)時(shí)為電機(jī)轉(zhuǎn)矩（功率）給定信號，停車充電或再生制動(dòng)時(shí)為電機(jī)發(fā)電功率（電流）給定信號，“轉(zhuǎn)速控制”情況下，0—5V的模擬量定義為電機(jī)速度給定信號。車輛起步加速時(shí)，電機(jī)“電動(dòng)”。車輛減速停車時(shí)，根據(jù)蓄電池電量狀態(tài)，電機(jī)“發(fā)電（制動(dòng)）”，回收能量。

開關(guān)磁阻電機(jī)噪聲對整車NVH影響的抑制

開關(guān)磁阻電機(jī)在當(dāng)前應(yīng)用中，存在噪音、震動(dòng)的問題，因此，噪聲綜合分析與處理成為當(dāng)前工作人員的首要工作任務(wù)。

開關(guān)磁阻電機(jī)噪聲的現(xiàn)狀

開關(guān)磁阻電機(jī)的噪聲問題是它最受爭議的一個(gè)問題，盡管通過在電機(jī)結(jié)構(gòu)、工藝以及控制方式等方面進(jìn)行改進(jìn)而消除噪聲的研究目前大有進(jìn)展，但開關(guān)磁阻電機(jī)的噪聲研究仍未達(dá)到一個(gè)令人滿意的水平。開關(guān)磁阻電機(jī)的噪聲是目前制約開關(guān)詞組電機(jī)在新能源汽車上應(yīng)用的最大障礙。

開關(guān)磁阻電機(jī)噪聲的抑制

通過合理的設(shè)計(jì)EMI濾波器可以有效減少開關(guān)磁阻電機(jī)的噪聲。關(guān)磁阻電機(jī)可以將傳導(dǎo)電磁干擾噪聲進(jìn)行等效，等效為一個(gè)噪聲阻抗串聯(lián)與一個(gè)噪聲源形式，并利用其自身的LISN形式，進(jìn)行合理的傳輸，傳輸至現(xiàn)有的接收設(shè)備中，最終的目的是將噪聲源產(chǎn)生的噪聲傳輸至測試電阻上，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)最大限度的衰減，滿足當(dāng)前的需求。受此影響，在進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)保證自身的濾波器充分發(fā)揮出自身的能力。

開關(guān)磁阻電與整車動(dòng)力性匹配分析

影響整車動(dòng)力性的因素

汽車是有各個(gè)總成及零部件構(gòu)成的復(fù)雜系統(tǒng)，整個(gè)車輛在工組時(shí)，需要各個(gè)模塊協(xié)同工作。對于動(dòng)力系統(tǒng)而言，如果沒有很好的進(jìn)行匹配，車輛不僅能耗高，而且會(huì)出現(xiàn)動(dòng)力不足、動(dòng)力不均勻等情況發(fā)生。對于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)車輛，影響整車動(dòng)力的主要因素包括發(fā)動(dòng)機(jī)特性、變速器速比、整車質(zhì)量等，尤其是發(fā)動(dòng)機(jī)與變速器的匹配會(huì)直接影響整車動(dòng)力性能。發(fā)動(dòng)機(jī)的工作特性決定了低速和告訴時(shí)不能輸出很大的扭矩，最大扭矩的轉(zhuǎn)速區(qū)間非常小，所以為能配合好發(fā)動(dòng)機(jī)的工作特性，要選擇合適的變速速比，以保證發(fā)動(dòng)機(jī)能隨時(shí)有良好的扭矩輸出。相對于內(nèi)燃機(jī)車輛，電動(dòng)汽車的動(dòng)力源來于電動(dòng)機(jī)，而電動(dòng)機(jī)的工作特性與發(fā)動(dòng)機(jī)區(qū)別很大，它能夠在非常寬泛的轉(zhuǎn)速區(qū)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(dòng)汽車上面只安裝有減速器，而沒有變速器的原因。對于開關(guān)磁阻電機(jī)而言，雖然啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大，但是功率密度相對較低，所以應(yīng)用于電動(dòng)汽車上，主要存在車輛的爬坡動(dòng)力不足、能量利用率不高等問題。

整車動(dòng)力系統(tǒng)匹配解決方案

①優(yōu)化電控系統(tǒng)。通過優(yōu)化電機(jī)控制系統(tǒng)和整車控制系統(tǒng)，電機(jī)控制系統(tǒng)通過算法優(yōu)化、PWM斬波調(diào)壓等措施，實(shí)現(xiàn)讓電動(dòng)機(jī)扭矩輸出與車速更協(xié)調(diào)，保證車輛起動(dòng)扭矩的前提下，均衡個(gè)工況的扭矩輸出，保證能量利用更充分，形式更加平穩(wěn)。適當(dāng)增加爬坡時(shí)的扭矩輸出，增強(qiáng)大負(fù)荷工況下的動(dòng)力，彌補(bǔ)電動(dòng)汽車動(dòng)力輸出短板。

②增加變速系統(tǒng)。雖然增加變速器會(huì)增加整車重量，但是改變速比會(huì)有效改善動(dòng)力系統(tǒng)性能。目前電動(dòng)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(gè)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(chǔ)上有效改變傳動(dòng)比，會(huì)大大提高整車在不同工況下的動(dòng)力輸出。

③優(yōu)化電機(jī)功率與整車質(zhì)量匹配。理論上電機(jī)額定功率越大，動(dòng)力輸出越充足，但是如果和整車質(zhì)量匹配不適當(dāng)，就會(huì)出現(xiàn)“大馬拉小車”或“小馬拉大車”的情況，這都不利于整車動(dòng)力輸出和能量的充分利用。設(shè)計(jì)時(shí)可以通過仿真分析提高這兩個(gè)參數(shù)的擬合度，這樣既節(jié)省成本，又可以節(jié)省時(shí)間。也可以通過整車試驗(yàn)，通過大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，提煉出不同車輛重量和電動(dòng)機(jī)功率的關(guān)系，選擇最合適功率的電動(dòng)機(jī)。

通過對上文所敘述的內(nèi)容，由于開關(guān)磁阻電機(jī)在新能源汽車應(yīng)用還不太成熟，無論從電機(jī)整體設(shè)計(jì)上還是整車系統(tǒng)匹配優(yōu)化上都有很大的研究空間，文中通過對電機(jī)單體的設(shè)計(jì)、控制方案的設(shè)計(jì)及電機(jī)噪聲抑制方法的探究，以及對開關(guān)磁阻電與整車動(dòng)力性匹配分析，可以在一定程度上滿足開關(guān)磁阻電機(jī)在輕量新能源汽車上的匹配優(yōu)化。