1、2021-12-121混合動力電動汽車用永磁無刷直流電機的設計與實現(xiàn)混合動力電動汽車用永磁無刷直流電機的設計與實現(xiàn)2021-12-122引言 按照混合動力電動汽車的使用要求，研制出集電動/發(fā)電功能于一體的稀土永磁無刷直流電機驅動系統(tǒng)。 本文介紹了該混合動力電動汽車用稀土永磁無刷直流電機的結構特點和設計方法，通過樣機試驗驗證了設計的合理性。2021-12-1231 混合動力電動汽車概述 混合動力電動汽車同時擁有電動機驅動和發(fā)動機驅動的系統(tǒng)，如圖1所示。2021-12-1241 混合動力電動汽車概述 車輛在起步或輕載工況時，由電動機作驅動。當車輛在正常行駛工況時，根據(jù)行駛所需的功率，由發(fā)動機、電動

2、機單獨工作或共同工作，若發(fā)動機功率大于行駛所需功率，則電動機轉為發(fā)電機工作狀態(tài)，輸出電能給蓄電池充電。當車輛爬坡或超速時，發(fā)動機和電動機一起工作，共同驅動車輪。當車輛減速或剎車時，電動機轉為發(fā)電工作，將動能轉化為電能，儲存于蓄電池中。2021-12-1251 混合動力電動汽車概述 因為雙驅動系統(tǒng)的存在，使得混合動力電動汽車的總體結構復雜，尤其在轎車中應用，受安裝空間的限制，對電機驅動系統(tǒng)的體積尺寸要求特別苛刻，不僅要求電機具有較高的重量比功率，而且既能作電動機運行，還能作發(fā)電機運行，在減速制動時，即使轉速較低，也希望電機能發(fā)出高于蓄電池的電壓給蓄電池充電。2021-12-1262 系統(tǒng)組成2.

3、1 組成及特點 混合動力電動汽車用稀土永磁無刷直流電機系統(tǒng)在基本構成的外部形式上與普通無刷直流電機一樣，主要由永磁電機本體、功率電子換向控制器及轉子位置傳感器等組成。 但在工作方式的表現(xiàn)上兩者不同，前者是為了適應混合動力電動汽車的各種運行狀態(tài)，除了能作電動機運行輸出動力外，還能作發(fā)電機運行輸出電能，頻繁地進行電動和發(fā)電可逆工作。2021-12-1272.2 永磁電機本體結構 已研制的混合動力電動汽車用稀土永磁無刷直流電機本體的主要特點是軸向厚度尺寸小、重量輕、輸出功率大、效率高。為了提高輸出功率和增大輸出轉矩，在結構方案上盡可能地考慮縮小電機繞組端部長度，讓出有效空間。為了減輕電機重量，在保證

4、機械結構強度和電磁性能的前提下，盡可能地去掉無用部分材料，并采用徑向結構的轉子形式，如圖2所示。2021-12-1282.3 控制系統(tǒng)組成 已研制的混合動力電動汽車用稀土永磁無刷直流電機的控制系統(tǒng)為水冷結構形式，采用模塊化設計的數(shù)字控制技術，具有體積小、輸出功率大，集電動控制、發(fā)電控制、制動控制于一體的特點，該控制系統(tǒng)的基本組成原理如圖3所示。2021-12-1292.3 控制系統(tǒng)組成 永磁電機本體的定子為三相繞組星形連接，控制系統(tǒng)由功率主電路和主控板構成，功率主電路是由IGBT大功率模塊構成三相逆變橋，主控板是由電機控制專用的DSP芯片TMS320F240及輔助電路和驅動電路等組成，接收上位

5、機的信號，由該控制系統(tǒng)完成電動控制,發(fā)電控制及制動控制等功能。2021-12-12103 電機本體設計分析3.1 結構優(yōu)化設計 本文以有限元法為基礎，采用場-路結合的優(yōu)化設計方法，進行多方案的計算比較和優(yōu)化選擇。其優(yōu)化設計基本框圖如圖4所示。2021-12-12113.1 結構優(yōu)化設計 具體是以電機有關幾何尺寸為設計變量，以電機有關電磁參量和性能指標為函數(shù)約束，以電機的輸出功率、效率、體積等為目標函數(shù)，進行準多目標優(yōu)化設計，使得電機在可行域內，輸出功率盡可能的大，效率盡可能的高，而體積卻盡可能的小。利用已有的優(yōu)化設計程序，對該電機進行可行方案的尋優(yōu)計算。2021-12-12123.2 電路分析

6、數(shù)學模型假設電機三相繞組完全對稱，且認為感應電勢的氣隙磁場波形為大于120平頂寬度的梯形波，則電機繞組的自感和互感可認為常數(shù)，該電機等效電路可描述為如圖5所示，R為一相電阻,L-M 為一相繞組等效電感，eA、eB、eC分別為A、B、C相繞組反電勢，uA、uB、uC分別為A、B、C 相繞組端電壓。2021-12-12133.2 電路分析數(shù)學模型 該電機等效電路的電壓平衡方程式可表示為 且 電磁轉矩為式中為轉子機械角速度。2021-12-12144 控制系統(tǒng)設計分析4.1電動運行控制 在電動運行狀態(tài)時，采用兩相導通六狀態(tài)的控制方式，任一時刻只有兩只功率開關管導通，分別屬于上半橋和下半橋，但不處于同

7、一橋臂，在調速控制時，只有下半橋功率開關管工作于PWM狀態(tài)。電動運行控制信號波形如圖6所示。2021-12-12154.1電動運行控制 以V1和V6導通的磁狀態(tài)為例，工作回路為蓄電池正極V1A相繞組B相繞組 V6 蓄電池負極。當忽略導通管的壓降，結合圖3和圖5可將該磁狀態(tài)的電動運行等效電路描述為如圖7所示。2021-12-12164.1電動運行控制結合式(1)可得該回路的電壓方程為令i=iA=-iB；Ud=uA-uB，Ud為電池電壓；eA-eB=2E，E為梯形波氣隙磁場波形平頂大于120時的相電勢。則回路電流為：2021-12-12174.1電動運行控制 對V6進行PWM控制，就可控制電流的平

8、均值，從而控制平均電磁轉矩。這里分析了60電角度的一個磁狀態(tài)，對于其他五個磁狀態(tài)可同理分析。2021-12-12184.2 發(fā)電運行控制 在發(fā)電運行狀態(tài)時，利用主控板的控制信號將功率主電路上半橋的功率管V1、V3、V5全關閉，而下半橋的功率管V2、V4、V6分別按一定規(guī)律進行PWM控制，這樣，因上半橋續(xù)流二極管的存在，其等效電路似同一個半控整流電路。另外，因混合電動汽車的電源是蓄電池，電機在進入發(fā)電工作時，其發(fā)電電壓必須高于蓄電池電壓2021-12-12194.2 發(fā)電運行控制 才能輸出電功率，所以發(fā)電運行的控制方法是采用半控整流的PWM升壓工作原理，但是，在設計電機時應考慮到最高轉速的發(fā)電輸

9、出電壓不大于蓄電池的額定電壓UN，則低轉速時的發(fā)電運行是讓下半橋的功率管V2、V4、V6按規(guī)律作PWM工作產(chǎn)生泵升電壓，當泵升電壓高于蓄電池的端電壓時就輸出電能，這一過程全部由主控板控制。發(fā)電運行控制信號波形如圖8所示。2021-12-12204.2 發(fā)電運行控制 為了分析問題方便，選擇與電動運行V1、V6導通對應的磁狀態(tài)位置，在發(fā)電運行時并不是V1、V6導通，而是V4導通，且脈寬調制工作，取PWM的一個脈沖周期T進行分析。設導通時間為t1,則截止時間為T-t1，結合圖3和圖5，當忽略V4、D1、D6的管壓降時，V4在PWM脈沖周期T內導通和截止的等效電路如圖9所示。2021-12-12214

10、.2 發(fā)電運行控制 在0,t1時間段V4導通,如圖9(a)所示，此時屬電機電感儲存磁場能量的過程。由式(1)，令uA-uB=0，i=-iA=iB，得回路電壓方程為存儲于電機電感2(L-M)的磁場能量為2021-12-12224.2 發(fā)電運行控制 在t1,T時間段V4截止，如圖9(b)所示，為續(xù)流作用向蓄電池充電，此時屬電機電感釋放磁場能量的過程。由式(1)，令uA-uB=Ud，Ud為蓄電池端電壓，i=-iA=iB，得回路電壓方程為2021-12-12234.2 發(fā)電運行控制蓄電池吸收的能量為We、WR、WL分別為t1,T時間段的汽車動能經(jīng)電機電磁功率轉化的電能和電機繞組發(fā)熱消耗的電能以及電機電

11、感2(L-M)釋放的磁場能量。2021-12-12244.2 發(fā)電運行控制 設電機電感2(L-M)在0,t1時間段吸收的能量等于在t1,T時間段釋放的能量，即WL=WL，結合式(8)和式(10)得當不考慮電流i和uAB的脈動，且忽略相電阻R時，由式(11)整理得2021-12-12254.2 發(fā)電運行控制 由上式可知，控制PWM占空比的大小，即可使蓄電池兩端的電壓uABUd，當然在主控板中以閉環(huán)控制的方式自動調整PWM的占空比 ，滿足uAB電壓不超過蓄電池允許的最高充電電壓，并滿足發(fā)電電流不超過蓄電池允許的最大充電電流。2021-12-12264.3 制動控制 在制動狀態(tài)時，其控制方法與發(fā)電運

12、行時一樣，不過這時候的發(fā)動機不工作，而是將車輛的慣性動能轉化為電能，通過電機電感的升壓作用，向蓄電池回饋能量，此時由于電機電流方向與電動運行時相反，故獲得制動性質的電磁轉矩，實現(xiàn)汽車的能量回饋電氣制動。這種制動方式的平均制動強度與電機電流的平均值成正比，它可能達到的最大制動強度與主功率電路的限流值及車速成正比。2021-12-12275 實驗結果 對已研制的混合動力電動轎車用稀土永磁無刷直流電機樣機進行了調試試驗，其實測結果如下：額定電壓： 336V電動/發(fā)電功率： 23kW/5kW電機重量比功率： 1.38kW/kg電機最高轉速： 5000r/min系統(tǒng)最高效率： 89%（電機和控制器）電機