電驅動系統效率影響因素分析

王寒婷

（周口技師學院，河南 周口 466000）

引言

針對新能源汽車電驅動系統的能耗問題，利用檢測臺架對具體的電機及其控制器產品進行優化標定試驗，測試了針對同一工況，不同特性參數條件下電驅動系統的典型效率值。對電動汽車電驅動系統不同的特性參數進行了歸納，分析了電驅動系統在不同特性參數下的能耗特征。闡述了電驅動系統的性能參數對整車節能工況的影響。基于不同特性參數的電驅動系統綜合能耗對比檢測對降低電動汽車能耗有著重要意義[1-2]。

電驅動系統能耗影響因素很多，如關鍵器件IBGT材料、工藝，軟件控制參數，電機結構與電壓匹配特性，電機零位的誤差和采樣誤差對輸出性能的影響等。本文針對某一車型進行了特定硬件、結構、軟件參數等做了一些優化對比測試。并以工況法綜合效率來評定性能。

1 關鍵器件IGBT

控制器的效率與功率模塊的功率損耗有關，本文從控制器的功率損耗的角度探討對控制器效率的影響[3]。功率損耗主要有通態損耗和開關損耗。

IGBT通態損耗：

由公式表明，當母線電壓增大時，IGBT的通態損耗降低。但從損耗的相對值看影響甚微。

IGBT開通和關斷的瞬間，電流和電壓會出現重疊期，產生開關損耗：

由公式和圖2可知，當母線電壓增大時，IGBTdI開關損耗隨之增加，且母線電壓的變化對開關損耗的影響較大。

圖2 IGBT開關損耗隨母線電壓變化的變化率

由前文分析可知控制器功率模塊的損耗電壓等級與開關頻率均呈正相關關系，對控制器效率有較大的影響。

1.1 電機結構

永磁同步電機的基本結構與交流異步電機類似，都包括定子部分和轉子部分。永磁同步電機的定子是由鐵心和三相繞組構成，與交流異步電機相似，永磁電機和一般電機最大的差別大概就是轉子結構了。永磁同步電機轉子為永久磁鐵，永磁體磁極安裝在轉子鐵芯圓周表面上，稱為凸裝式永磁轉子。

電機的損耗主要有：鐵心損耗、繞組銅耗、雜散損耗、機械損耗等。本文主要關注電機不同繞線方式下反電勢的差異，造成電機輸出特性的變化。發電勢越大，電機在低速區的電壓利用率越高，但進入弱磁區越早，帶來的就是高速恒功率區變窄，在最高轉速下功率輸出性能變差。所以電機的結構設計要與整車的電壓平臺對應。

1.2 控制程序

本文在原有控制程序的基礎下，對局部可變參數進行的性能對比。如電機零位在一定范圍內波動，母線電壓采樣誤差等帶來的性能變化特性。

在進行電驅動系統性能優化標定試驗時主要對以下參數進行了優化標定：電機零位、電機電阻溫度補償及母線電壓采樣。

1.2.1 電機零位

電機驅動轉子位置檢測與初始定位轉子位置的準確才可以進行矢量控制。只有定子繞組產生的電磁場須始終正交于轉子永磁場時，才能獲得最佳的出力效果。

1.2.2 母線電壓采樣

通過對母線電壓采樣的優化，能夠準確的知道母線電壓值，同時能夠準確的給出永磁同步電機所需的Id、Iq值，從而可以達到其所需性能指標要求。

2 電驅動系統效率

電力測功機測試平臺：電力測功機分直流電力測功機和交流電力測功機。直流電力測功機實際上是一臺定子可以在支架上轉動的直流電機，并附加一些測量轉矩/轉速的測量元件。該平臺具有操作方便、可以實現平穩調速、經濟性顯著等特點，適用于對低轉速、小功率的動力系統進行測試。交流電力測功機用于對高轉速、大功率的動力系統進行測試，目前用得較為廣泛。交流電力測功機系統主要由交流電力測功機和控制器組成。交流電力測功機系統具有精準快速的動態響應、高速低慣量、變頻器可四象限（電動與發電自由轉換）以及系統可靠性高、維護性好等特點，應用于各類電機的性能測試。

輸入電功率由功率分析儀、電流傳感器或電壓傳感器（根據實際電壓信號范圍選用）采集完成。電流傳感器和電壓傳感器分別采集驅動電機系統的輸入電流和電壓，輸出至功率分析儀，經內部運算得到驅動電機系統的輸入電功率。輸出機械功率是由轉矩/轉速傳感器采集的轉矩和轉速計算得到。

利用某一車型進行了特定硬件、結構、軟件參數等一些優化對比測試，以電機為負載電機，電機水流量10 L/min、溫度50℃；不同特性參數下，分別進行電機及控制器效率試驗。

2.1 電壓等級

利用檢測臺架對具體的電機及其控制器產品進行優化標定試驗，分別在U1及U2條件下進行測試，測試結果控制器及電機效率圖示如圖3和圖4所示。

圖3 不同電壓等級控制器效率圖

圖4 不同電壓等級電機效率圖

母線電壓升高前后，控制器效率在低轉速差別較大，時速20 km以內，母線電壓升高后控制器平均效率下降1.2個百分點。

隨著速度不斷升高，控制器效率差異逐漸減小，轉折點以后控制器平均效率趨同。

2.2 電機零位

在檢測臺架對同款電機及其控制器產品進行優化標定試驗，分別在初始零位及減小n個字零位時進行測試，測試結果圖示控制器及電機效率如圖5和圖6所示。

圖5 不同程序版本控制器效率圖

圖6 不同程序版本電機效率圖

控制器程序零位減小n個字后，外特性明顯降低，恒功率區無法發揮到最大功率；

轉折點以后恒功率區，減小零位程序相較于優化程序，效率差異隨時速升高而變大，控制器平均效率下降1個百分點，電機平均效率下降1.5個百分點。

2.3 電機結構與效率及輸出特性的對比分析

在檢測臺架對同款不同繞線方式電機及其控制器產品進行優化標定試驗，兩臺電機內部匝數分別為6匝9根和8匝7根，測試結果控制器及電機效率圖示如圖7和圖8所示。

圖7 不同電機結構控制器效率圖

圖8 不同電機結構電機效率圖

相比8匝電機與6匝電機外特性時，8匝電機更早脫離恒扭矩區，6匝電機在恒扭矩區可以發揮出更大的效率。

轉折點之前，搭載8匝電機時控制器效率明顯高于6匝電機，平均高出2個百分點，轉折點以后，較小負載時，6匝電機控制器效率表現優于8匝電機；

對于電機效率，隨著時速升高，8匝電機效率逐漸下降，低速區8匝電機電機效率高于6匝電機，高速區8匝電機效率低于6匝電機，且該現象在負載較小時更加明顯，8匝電機效率隨著轉速升高，低扭矩區電機效率逐步降低。

2.4 IGBT開關頻率

從不同轉速及負荷情況可知，10 kHz載波相比原程序平均高出0.5個百分點，低速區效率差異大于高速區效率；降低載波頻率后，低速區效率曲線較原程序波動更小，更加平滑（見圖9和圖10）。

圖1 通態損耗與電壓的關系

圖9 不同載波頻率控制器效率圖

圖10 不同載波頻率電機效率圖

3 對能耗測試及分析

能耗測試時具體測試方法如下：能耗測試時應在環境溫度-25～50℃，相對濕度不超過100%的情況下進行，對于液冷的電驅動系統，應盡量采用制造廠商規定的冷卻液，電機繞組采用水內冷的電機，取進水溫度作為繞組冷卻介質溫度。整車有特殊要求，以整車實測溫度為準，無特殊要求時設定進口溫度推薦25℃±5℃；冷卻介質流量應按照電驅動產品規定的流量或實車測試的流量設定，并根據電驅動系統對應車型的制動力矩曲線進行設置再生制動強度。

電驅動系統應未進行過耐久性試驗或者破壞性試驗，使用良好、實驗數據穩定，且控制器程序能夠由模擬量控制輸出扭矩信號。

電驅動系統按照整車線路進行接線，功率分析儀的電壓電流傳感器分別裝在控制器的輸入輸出側。試驗時，打開積分功能，對電驅動系統的的直流電能、交流電能、機械能進行積分。根據工況法進行能量消耗率測試，并計算能量消耗率及綜合效率。

利用此方法進行能耗測試可以模擬整車運行對整車能耗進行評估，能夠驗證不同回饋策略對能耗的影響，還可以驗證同一款動力總成在不同車上的能量消耗率。對于不同的效率影響因素，更改不同的程序或更換不同電機后，各條件下運行NEDC工況的百公里能耗如表1所示。

表1 不同實驗條件下的百公里能耗

4 結論

針對某一車型進行特定硬件、結構、軟件參數進行過優化對比測試后發現母線電壓U1時在低速區效率要高過高速區，控制器對U1電壓時匹配度更好。

對比零位減小前后，發現無論電機和控制器的效率均差別較大，尤其在高轉速、大扭矩時效率差別尤為明顯，降低零位后與電驅動系統的匹配度較差。

對比更換電機前后，可以發現匹配8匝電機時，在低速大扭區，電驅動系統間的匹配度更好。

同一電驅動系統在不同的載波頻率下，控制器效率有一定差別，降低載波頻率后效率升高，低速區更為明顯。