吳雪松，戴晶，文翔，周冬冬

（武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北 武漢 430064）

1 引言

物流車多用于城市內(nèi)部或城市之間運(yùn)送貨物，具有行駛距離短、啟停頻率高、運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)的特點(diǎn)。傳統(tǒng)物流車多為燃油汽車，對(duì)于城市造成了嚴(yán)重的尾氣污染、噪聲污染，而且燃油車具有啟動(dòng)慢、運(yùn)營(yíng)成本高且維護(hù)復(fù)雜的特點(diǎn)。電動(dòng)汽車是國(guó)家近幾年大力推廣的一種以電池、電機(jī)和電控為驅(qū)動(dòng)力的車種，經(jīng)過(guò)近十年的發(fā)展技術(shù)較為成熟，很多城市也將電動(dòng)車技術(shù)應(yīng)用到物流車上，得到了良好的應(yīng)用效果。永磁同步電機(jī)具有體積小、能量密度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于以電能驅(qū)動(dòng)的新能源汽車上[1]。近年來(lái)國(guó)內(nèi)對(duì)永磁同步電機(jī)控制進(jìn)行了大量的研究，其中包括仿真研究、理論研究、算法研究等[2-4]。本文依托湖北省科技廳項(xiàng)目“東風(fēng)新一代純電動(dòng)物流車關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)及產(chǎn)業(yè)化”項(xiàng)目，針對(duì)純電動(dòng)物流車的永磁同步電機(jī)和電機(jī)控制器控制算法進(jìn)行研究，在汽車工作在不同的工況下電機(jī)采用不同的開關(guān)頻率，在保證電機(jī)有足夠地輸出能力時(shí)，限制電機(jī)控制器輸出，從而降低開關(guān)損耗，減小模塊發(fā)熱，提高電機(jī)控制器效率。

在《純電動(dòng)物流車動(dòng)力系統(tǒng)匹配與仿真》一文中[5]，作者對(duì)純電動(dòng)物流車的動(dòng)力性能和經(jīng)濟(jì)性能匹配的方法，并且進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，但純電動(dòng)物流車在控制策略方面多采用簡(jiǎn)單的參數(shù)匹配和功能實(shí)現(xiàn)上，并未完全考慮純電動(dòng)物流車實(shí)際使用中的工作特點(diǎn)，導(dǎo)致整車控制效果不佳。在純電動(dòng)物流車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配優(yōu)化與驅(qū)動(dòng)控制策略研究方面[6]，有人對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化[7-8]，使系統(tǒng)各部件進(jìn)行合理地匹配，使用兩檔變速器增加驅(qū)動(dòng)電機(jī)在高頻工作區(qū)和高效區(qū)的重合以提高利用率，同時(shí)考慮物流車的起步、加速和減速時(shí)間優(yōu)化電機(jī)控制器輸出轉(zhuǎn)矩，取得了良好的效果，但未考慮電機(jī)控制器在低速區(qū)間不需要太高的開關(guān)頻率。劉銀等人對(duì)純電動(dòng)物流車的整車控制器進(jìn)行了研究[9-11]，開發(fā)了一款具有硬件保護(hù)功能、CAN網(wǎng)絡(luò)通信、故障診斷、能量管理等功能的整車控制器，該整車控制器是在系統(tǒng)各部件性能良好的狀態(tài)下可以保證最佳的性能，因此還需要對(duì)電機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部件進(jìn)行研究。在純電動(dòng)物流車其他研究方面，有使用電磁減振器將傳統(tǒng)懸架耗散的能量進(jìn)行再回收利用[12]，也有對(duì)純電動(dòng)物流車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)穩(wěn)健性設(shè)計(jì)[13]，動(dòng)力參數(shù)匹配研究等,均取得了良好的效果。

本文針對(duì)純電動(dòng)物流車電機(jī)控制器軟件算法部分，考慮了不同的物流車運(yùn)行工況，包括起步、加速、剎車、上坡、高速平穩(wěn)運(yùn)行、低速平穩(wěn)運(yùn)行等狀態(tài)，使用不同的PWM頻率，在高頻區(qū)降低晶體管開關(guān)頻率，同時(shí)在啟動(dòng)、加速、爬坡的工況下使用高頻的PWM，在低速平穩(wěn)區(qū)、減速區(qū)使用較低頻率的PWM。本文考慮了電池提供的電壓幅值對(duì)開關(guān)損耗的影響，根據(jù)研究，當(dāng)電池充電完成，電壓較高時(shí)，如果仍使用較高的PWM頻率，會(huì)增加發(fā)熱，因此應(yīng)適當(dāng)降低開關(guān)頻率；是哪個(gè)電壓電量不足時(shí)，應(yīng)該適當(dāng)增加開關(guān)頻率，以降低電機(jī)控制器輸出諧波。根據(jù)在東風(fēng)汽車公司提供的整車上進(jìn)行了算法驗(yàn)證，得到了良好的驗(yàn)證效果。

2 永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)建模

本課題中使用的電機(jī)為永磁同步電機(jī)，首先建立永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型。永磁同步電機(jī)在轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型為：

式中：

ud，uq，id，iq，Ld，Lq——定子電壓、電流、電感在d，q軸上的分量；

ψf，ψs——?jiǎng)?lì)磁磁鏈和定子磁鏈；

Te，Pn，p——電磁轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)子極對(duì)數(shù)、微分算子；

δm——負(fù)載角。

由式（2）知，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩受到d軸和q軸電感以及轉(zhuǎn)子磁鏈的影響。根據(jù)對(duì)永磁同步電機(jī)的研究，溫度對(duì)電機(jī)的電感和磁鏈有很大影響，因此減小電機(jī)輸入諧波，是降低電機(jī)溫度的主要方法，使用高頻的PWM可以降低諧波含量，但高頻的晶體管模塊價(jià)格昂貴，且控制復(fù)雜，且高頻的導(dǎo)通和關(guān)斷容易導(dǎo)致較高的IGBT結(jié)溫，在工程應(yīng)用中會(huì)考慮成本、控制效果來(lái)選擇IGBT的頻率。

控制算法中通過(guò)計(jì)算晶體管導(dǎo)通和關(guān)斷的時(shí)間產(chǎn)生PWM波控制電動(dòng)機(jī)，頻率越高，越接近正弦波，然而在頻率較高時(shí)，開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷的死區(qū)時(shí)間就越短，同時(shí)開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷產(chǎn)生的熱量越高。根據(jù)研究，PWM的頻率對(duì)開關(guān)管的發(fā)熱、諧波含量、最大輸出能力有很大影響，在IGBT選型主要考慮開關(guān)頻率、輸入電壓、輸出電流等參數(shù)。當(dāng)開關(guān)頻率較高時(shí)，需設(shè)置的死區(qū)時(shí)間短，能輸出的最大電流就越小；當(dāng)開關(guān)頻率較低時(shí)，能設(shè)置的死區(qū)時(shí)間長(zhǎng)，能輸出的最大電流就大，電機(jī)控制器地輸出能力就大，但諧波含量大。

使用晶體管的導(dǎo)通和關(guān)斷控制永磁同步電機(jī)的原理是使用等高不等寬的調(diào)制波“替代”正弦波，達(dá)到正弦波控制的效果。使用等高不等寬的調(diào)制波控制電機(jī)具有和正弦波相同的控制效果，當(dāng)調(diào)制波頻率很高時(shí)越接近正弦波。當(dāng)開關(guān)頻率很高時(shí)，在一個(gè)正弦周期內(nèi)開關(guān)管導(dǎo)通和關(guān)斷次數(shù)較多就會(huì)產(chǎn)生較高的熱量。

3 降低開關(guān)損耗的電機(jī)控制方法

城市內(nèi)純電動(dòng)物流車常處于起步、加速、減速，以及高速平穩(wěn)運(yùn)行和低速運(yùn)行不斷切換的狀態(tài)。針對(duì)純電動(dòng)物流車實(shí)際工作情況，適當(dāng)?shù)馗淖僆GBT導(dǎo)通和關(guān)斷的頻率不僅可以降低晶體管的發(fā)熱，也可以提高電機(jī)控制器的效率。在電機(jī)控制器中，最高IGBT的控制頻率為10kHz，而當(dāng)物流車處于低速平穩(wěn)運(yùn)行時(shí)降低開關(guān)頻率，為了具有良好的制動(dòng)效果，在制動(dòng)時(shí)采用高頻的PWM。根據(jù)試車情況不斷調(diào)校出最適當(dāng)電機(jī)控制器IGBT開關(guān)頻率范圍，這種改變頻率的控制方法可以降低IGBT的開關(guān)損耗。

將純電動(dòng)物流車的工況分為起步加速狀態(tài)、高速平穩(wěn)運(yùn)行狀態(tài)、低速平穩(wěn)運(yùn)行狀態(tài)、減速制動(dòng)狀態(tài)以驗(yàn)證控制算法的可行性，其中各種狀態(tài)指令由VCU指定給出。設(shè)計(jì)四種工況下IGBT的導(dǎo)通和關(guān)斷頻率如表1所示。

表1 純電動(dòng)物流車各工況下開關(guān)頻率

4 降低開關(guān)損耗的電機(jī)控制方法試驗(yàn)

為了驗(yàn)證電機(jī)控制算法的可行性，在試驗(yàn)時(shí)搭建了電機(jī)控制器測(cè)試平臺(tái)，使用測(cè)功機(jī)與被試機(jī)對(duì)施的形式進(jìn)行測(cè)試。匹配電機(jī)參數(shù)如表2所示。

表2 永磁同步電機(jī)參數(shù)表

電機(jī)控制器匹配額定功率60kW，額定扭矩為450Nm永磁同步電機(jī)，強(qiáng)迫水冷方式，通過(guò)上位機(jī)測(cè)試不同工況下電機(jī)控制器IGBT結(jié)溫。

根據(jù)測(cè)試結(jié)果，電機(jī)控制器測(cè)試中，使用1min最大輸出轉(zhuǎn)矩測(cè)試溫升情況模擬啟動(dòng)加速狀態(tài)下溫升；使用額定轉(zhuǎn)矩額定轉(zhuǎn)速測(cè)試溫升模擬高速運(yùn)行狀態(tài)下溫升；使用額定轉(zhuǎn)矩0.5倍額定轉(zhuǎn)速測(cè)試溫升模擬低速運(yùn)行狀態(tài)下溫升；使用1min反向扭矩發(fā)電測(cè)試溫升模擬減速制動(dòng)狀態(tài)下溫升。測(cè)試結(jié)果與原純電動(dòng)物流車用電機(jī)控制器在相同環(huán)境和工作狀態(tài)下溫升對(duì)比如圖1所示。

圖1 （a） 1min最大輸出轉(zhuǎn)矩IGBT溫升測(cè)試

圖1 （b） 額定狀態(tài)IGBT溫升測(cè)試

圖1 （c） 輕載狀態(tài)IGBT溫升測(cè)試

圖1 （d） 1mim最大制動(dòng)轉(zhuǎn)矩IGBT溫升測(cè)試

圖1 （a）～（d）分別為原純電動(dòng)物流車電機(jī)控制器IGBT溫度測(cè)試和新一代純電動(dòng)物流車電機(jī)控制器IGBT溫度測(cè)試。其中棕色溫度線為原純電動(dòng)物流車電機(jī)控制器IGBT溫度，藍(lán)色溫度線為新一代純電動(dòng)物流車電機(jī)控制器IGBT溫度。根據(jù)圖1（a）和圖1（d），模擬電動(dòng)物流車啟動(dòng)和制動(dòng)的狀態(tài)，為了保證電機(jī)控制器具有優(yōu)良的啟動(dòng)和制動(dòng)性能，電機(jī)控制器晶體管開關(guān)頻率和原物流車電機(jī)控制器相同，根據(jù)測(cè)試結(jié)果，電機(jī)控制器IGBT溫升和原純電動(dòng)物流車電機(jī)控制器IGBT溫升幾乎相同。

根據(jù)圖1（b），為額定狀態(tài)下IGBT溫升測(cè)試對(duì)比，可見新一代純電動(dòng)物流車電機(jī)控制器IGBT溫升要低于原物流車電機(jī)控制器溫升，新一代純電動(dòng)物流車溫升比原純電動(dòng)物流車溫度降低3.7℃。同時(shí)根據(jù)圖1（c），為輕載狀態(tài)下電機(jī)控制器IGBT溫升測(cè)試結(jié)果，溫升特點(diǎn)和額定狀態(tài)下相同，溫升要比額定狀態(tài)下小，新一代純電動(dòng)物流車電機(jī)控制器IGBT溫升比原純電動(dòng)物流車電機(jī)控制器溫升降低5.5℃。

課題組把研制的電機(jī)和電機(jī)控制器安裝在由東風(fēng)汽車公司提供的整車上進(jìn)行了靜態(tài)調(diào)試和路試，通過(guò)不斷地對(duì)不同路況下電機(jī)控制器開關(guān)頻率進(jìn)行調(diào)校，得到了良好的控制效果，控制效果滿足預(yù)期，同原純電動(dòng)物流車電機(jī)控制器IGBT溫升相比，各工況下新一代純電動(dòng)物流車電機(jī)控制器IGBT溫升均有所下降，驗(yàn)證了降低開關(guān)損耗的純電動(dòng)物流車用電機(jī)控制算法的可行性，同時(shí)根據(jù)測(cè)試，新一代純電動(dòng)物流車用電機(jī)控制器增加了電機(jī)控制器效率。

5 結(jié)論

本文根據(jù)“東風(fēng)新一代純電動(dòng)物流車關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)及產(chǎn)業(yè)化”項(xiàng)目的子課題“東風(fēng)新一代純電動(dòng)物流車用電機(jī)及控制器關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)”對(duì)影響電機(jī)控制器IGBT結(jié)溫的影響因素進(jìn)行了研究。針對(duì)純電動(dòng)物流車在城市內(nèi)的實(shí)際工況，設(shè)計(jì)了不同的IGBT開關(guān)頻率，同時(shí)根據(jù)不同的電壓等級(jí)調(diào)校了IGBT的開關(guān)頻率，根據(jù)實(shí)車試驗(yàn)，以及數(shù)據(jù)測(cè)試結(jié)果，在相同的水冷狀態(tài)下，相比于原純電動(dòng)物流車的電機(jī)控制器IGBT結(jié)溫有所下降，電機(jī)控制器效率有所增加，驗(yàn)證了算法的可行性。