純電動汽車用PMSM系統堵轉設計與應用

摘 要：介紹了一種純電動汽車用永磁同步電機系統的堵轉控制包含對原理、法規要求過程分析、測試方法及策略控制應用，通過對永磁同步電機的基本工作原理變換到堵轉的工作原理及帶來的問題的原因，通過建立堵轉策略及仿真計算開展實施驅動電機和IGBT的溫度保護策略，并確立目標開展對驅動電機和IGBT選型設計，通過仿真設計校核并通過臺架和整車實車測試驗證設計目標，驗證了系統性能，安全性高，在通過設計對整車目標進行校核的同時，防止過度開發，降低了系統開發成本。

關鍵詞：PMSM；PWM；堵轉；IGBT；載頻

0 引言

新能源電動汽車因其低速大轉矩，高速高功率等特性，帶來啟動強大的瞬間爆發力的同時，還帶來一系列行駛工況的問題，表現在性能、可靠性上，如溫升對磁鋼的影響，溫升對驅動電機控制器功率器件如絕緣柵雙極型晶體管（insulated gate bipolar transistor, IGBT）、MOS 管的性能影響到降功率，降電流輸出，另外還有一個 NVH 噪聲和抖動的問題對驅動系統來說影響主觀駕駛舒適性和安全性，同時堵轉時對應于驅動 PWM 的發波影響較大，隨機載頻及分段頻率也是需要標定，通 過合理的應用場景環境匹配發波策略，適用載人和載貨等不同負荷類型車輛應用需求，當前國家法規如強檢：電動汽車用驅動電機系統技術條件和試驗方法也對堵轉等范圍特性進行了定義概況性要求，但是對堵轉細節參數級約束沒有具體化，需要企業進行各自的產品特性進行適應性開發和深入的研究來決定，尤其是在滿載負載情況下，出現堵轉等惡劣的工況，對車輛及人員安全帶來挑戰，如在城市物流車領域，可能在載荷上比較靈活，如果堵轉性能與安全不能匹配，將會直接影響到車輛后溜，帶來風險。

單純的從產品特性應用來看，由于驅動電機控制器的功率器件架構方案不同，存在于 IGBT、MOS 單管和 IGBT 模塊方案，其中模塊還有半橋和全橋之分，不同的電氣架構及布局，帶來不同的 du/dt 和 di/dt，對功率器件堵轉性能控制差異帶來了挑戰，另，在目前如 SiC 的產品及扁線電機及油冷系統的應用極大的提升了溫升平衡的能力，提升堵轉能力。本文基于設計一款城市物流車峰值功率 60 kw，額定功率 30 kw，堵轉目標轉矩 200 nm 不低于 5 s，峰值轉矩 220 N·m，系統設計，通 過整車動力需求及 Matlab/simulink 建立仿真模型實施策略并通過臺架及整車測試并對工況應用進行分析驗證。

1 堵轉工作原理

永磁同步電機（permanent magnet synchronous motor, PMSM），其定子繞組通常是由圓線或者扁線組成，轉子采用鋁鐵硼等材料的磁鋼實現轉子勵磁，轉子旋轉磁場在定子繞組勵磁磁場產生了反電動勢 EMF，根據 PMSM 理論控制等效電路有電壓平衡方程：

如果堵轉時，從功率平衡來考慮，原先運行定轉子磁場分別產生，轉子感應電流磁場在定子繞組通過反電動勢抑制電流增加變成無轉子電流感應磁場，定子磁場中電阻及自感包含漏感和勵磁電感直接加在堵轉后的電壓下，堵轉前三相驅動是正弦波，一旦堵死后出現零轉速，轉子的位置被鎖定的固定位置上，實現方式通過固定的鎖止機構來實現，此時相電流有正弦變成直流波形。

則上述公式變成了：

從公式上明顯看出，在電壓 Ui 不變的情況下，Is會呈現劇烈的上升，所有電壓全部施加到定子繞組電阻上，而且，由于轉子位置與電流直接關聯，隨著最大位置的出現到來，產生最大電流的出現，由于功率器件 IGBT 的熱容相對于驅動電機繞組較小，一般會溫度爬升較快，會領先驅動電機線包 NTC 溫度上升，如不能及時控制系統溫度的爬升和平衡，將會導致 IGBT 和驅動電機 NTC 溫度超過閾值達到報警而產生降功率，而通常為了應對惡劣工況下降功率一般采用的方法是線性降轉矩，直到降為零，在冷卻系統工作干預情況下，當溫度達到閾值以下，會自動恢復，另，由于驅動電機 PWM 發波是匹配負載系數進行調節，實現隨機載波，根據矢量控制原理，在單位時間內開關頻率與產生的能量成正比，因此，一旦觸發堵轉后，采取降載頻，當前在固定位置堵轉后，采用定點頻率實現發波，發波頻率越高，溫升上升越高，頻率越低，相對開關次數減少，溫度上升較慢，但是太低的頻率會帶來 NVH 的噪聲和整車的抖動問題，因此需要進行合理標定及匹配驗證。

根據 GBT 18488.2—2015 要求試驗，在特定的工裝上，將驅動電機轉子堵轉，驅動電機系統這里包含電機和控制器，工作在實際冷狀態下，通過驅動電機控制器為驅動電機施加所需堵轉轉矩，記錄堵轉轉矩和堵轉時間，通過改變驅動電機定子和轉子相當位置，沿著圓周方向等分取 5 個堵轉點，分布重復以上試驗，每次試驗前，將驅動電機系統恢復到實際冷狀態，堵轉時間應相同。由此可見：國標的強制要求驅動系統具備堵轉能力，但是具體的堵轉轉矩點及范圍、堵轉持續時間及步長沒有做定義說明，由產品技術來定義，在開發過程中，可以結合國標試驗要求，對轉矩進行分段設定，規定堵轉轉矩點及對應持續時間。

2 設計目標

在不同電壓下，轉子在不同位置時，電機控制器功率器件仍需要響應轉矩需求輸出更大的電流，以滿足堵轉請求轉矩，尤其在最高工作電壓下堵轉，對其 IGBT 電流輸出能力嚴苛度要求極高，目標參數如下表 1：

為達到最嚴苛設計，設置仿真及測試條件在如下條件下：最高工作電壓 420 V，進行冷卻系統輸入水口溫度不高于 60 ℃，流量為 10 L/min，通過報文及示波器波形來記錄過程數據。基于上述分析，進行相關溫度監控，通過與主要目標參數進行確認，根據目標參數進行如下具體策略分析。

2.1 關鍵參數

2.2 零點位置

首先對堵轉電流進行定義，當且僅當在轉子最大位置角度時，獲得的堵轉電流是稱為最大電流，如果此時對應的轉矩即為最大堵轉轉矩，但是此轉矩滿足目標堵轉轉矩時，才能滿足設計要求，如下圖 2，驅動電機三相輸出電流正弦波波形分別為 U、V、W 三相，顏色分別為綠色、紅色、藍色，若堵轉時首次位置處電流相位處于圖 1 黑線縱向位置，可以看出此時 U 相堵轉電流為最大值，此時等于 V 和 W 相輸出電流大小數值之和，方向與 U 相電流相反。U 相為最大值，且為正值，表示此時堵轉在 U 相上橋，電流方向是流出控制器。

在堵轉過程中，監測到位置如果不變，則電流也是固定值，因此電流不同，位置也不相同，采用從預設初始目標小電流開始，按照步長逐步增加，進行 U 相橋臂零點處位置角，然后進行轉矩請求調節輸出電流，通過遞增，并當達到峰值電流時的位置，設置標記零點，此時獲得的 U 相相電流為有效值，進行轉換獲得幅值，然后再進行 V 和 W 相標定。

圖2 堵轉位置及三相電流波形

2.3 保護策略

根據執行轉矩，數據進行分析，采取從額定轉矩作為基本量，在規定的轉速范圍內，如 20 rpm 以下，系統認為是進入堵轉模式，開啟響應，計數器開始設置開始，定時時間到，且一直在堵轉狀態，開始限制扭矩輸出，扭矩限制關系，峰值扭矩時能夠支持的堵轉時間與水溫關系較大，水溫低時，峰值扭矩可以堵轉的時間長，水溫高時，峰值扭矩可以堵轉的時間短。

如果系統檢測到當前轉矩未達到峰值轉矩和最大堵轉轉矩時，根據溫升檢測閾值，延時堵轉時間。

當前檢測到轉矩小于額定轉矩 90 nm，如果此時轉速大于 20 r/min，則認為未進入堵轉模式，不進行計時觸發，從當前前一個堵轉模式中進行轉矩恢復，設置恢復時間如 0.3 s，需標定，控制器 IGBT 或電機過溫保護與堵轉保護獨立，控制器 IGBT 溫度或電機溫度超過設定閾值時，也會進入相應保護。

2.3.1 參數仿真設計

基于計算參數，根據相應的整車策略分解要求，匹配驅動電機及功率器件進行測試優化，對水溫要求，及持續轉矩值、持續時間進一步分析以優化曲線。

2.3.2 IGBT及驅動電機保護參數

IGBT 溫升變化代表電機控制器的溫度平衡能力，因此根據整車策略需求進行驅動 IGBT 兩級溫度進行設計，進行預警降功率、關管保護，保護為進行診斷進行故障代碼鎖定，按照診斷策略進行恢復，參照中斷故障檢出處理條件及方法。驅動電機依據本身磁鋼牌號性能及 NTC 位置及分布溫升進行兩級級溫度預警降功率、關管停機，如下表 3。

3 系統仿真計算及臺架測試

基于設定目標參數及堵轉策略進行整車滿載質量開展驅動電機轉矩坡道駐坡需求的理論計算，通過坡道角度要求，根據整車速比、滾動半徑進行坡道受力分析，校核堵轉需求，為整車測試提供依據。

3.1 坡道駐坡轉矩

根據整車目標進行動力性受力分析，整車滿載質量 M 按照 2 600 kg 計算，滾動半徑 = 0.302 m，后橋減速器速比 = 8.5，重力加速度 g 按照 10 計算：

重力 G = Mg = 2 600×10 = 26 000 N·m；

坡度按照 20% 來計算，

則 α = arctan0.2 = 11.3°；

則重力沿坡道的重力分量 F = G×sinα；在不考慮路面摩擦阻力的情況下，F 由電機扭矩平衡；在輪胎半徑r = 0.302 m，速比 i = 8.5，則電機轉矩

故，理論計算可得整車滿載，20% 坡道駐坡所需電機扭矩為 180 N·m 左右；

圖4 坡道受力分析

3.2 堵轉模型仿真

圖5 堵轉策略模型

（Simulink 中的理想 PMSM 模型的輸出端口 m 是一個多信號復用端口，包含電機的三相電流、角速度、位置等信號，經過 Mux 模塊可以將復用的信號分別提取出來）

3.3 測試與驗證

在仿真參數基礎上進行實際的測試，通過進行臺架測試和實車堵轉、坡道駐坡測試，建立測試數據庫，對理論數據進行校核，確認目標任務是否可以實現。

3.3.1 臺架測試

根據目標參數，驅動電機和控制器采用水冷循環，入水溫度控制在 60 ℃，在零轉速條件下，測試從額定轉矩開始，依次為 90、120、160、200 nm、220，測試各個轉矩點可堵轉的最長時間及此時驅動電機的溫度、電機控制器 IGBT 溫度、堵轉轉矩要求不少于 5 s，峰值轉矩也即最大輸出轉矩值進行測試摸底，核對極限能 力，測試數據如下表 4 為 2.4 kHz 測試。

表4 堵轉數據

3.2 實車測試

整車在滿載情況下（2 680 kg），20% 的坡度 , 此為實際應用場景需求，連續爬坡駐坡，環境溫度 45 ℃ 左右；另，也測試在車輛靜止時，ready 狀態，D 檔，手剎拉死，油門從 0-100% 開度，監控報文 MCU 和電機轉速和轉矩輸出值，電驅系統中的電機和 IGBT 溫度變化曲線狀態限值、三相電流曲線波形和限值，MCU 故障數量和故障等級。5 s 內不允許出現過溫、過流，過程記錄環境溫度，觀察車輛有無異常。

從數據來看，堵轉時間 5 s；堵轉的過程中，上位機監控轉矩最高點輸出轉矩為 160（換算系數對應電機轉矩為 180 N·m 左右），IGBT 最高結溫為 125 ℃；整個過程電機控制器及系統未過溫，無異常表現。

4 結束語

綜合以上目標參數建立并通過測試數據進行校核及保護方案確認，在水溫低于 60 ℃ 時可以延長堵轉時間，執行轉矩變小時，也可以延長堵轉時間，能夠滿足正常駕駛時駐坡與坡道起步等實車應用場景需求時的堵轉工況時需求；如果水溫高于 60 ℃，堵轉轉矩可以堅持整車目標要求 5 s，但是峰值扭矩堵轉時間為非常短，在堵轉轉矩控制范圍內可以滿足滿載整車坡道起步，駐坡，爬坡，在堵死的情況下，監控驅動電機和功率器件 IGBT 的溫度進行獨立保護策略，當連續駐坡長時間連續坡道起步時，超出目標設計時，會出現堵轉降轉矩或控制器 IGBT 過溫降轉矩，通過策略建立仿真及整車實車測試為載人載貨車輛的堵轉控制提供了批量開發基礎，并通過驗證此控制方案可行批量生產。

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(注：本文轉載自《電子產品世界》雜志2022年11月期)