电动汽车PMSM堵转特性及试验研究

何鹏林 黄 炘 蔡志涛 孙守富 石昊天

（中国汽车技术研究中心，天津 300300）

电动汽车具有“低能耗”、“低污染”甚至“零污染”的优势，是应对当前能源、环境以及交通压力的有效途径，因此被广泛认为是未来汽车发展的重要趋势。驱动电动机是电动汽车能量转换和动力输出核心的部件，决定了车辆的动力性、稳定性、安全性、经济性以及用户体验等。永磁同步电动机（PMSM）以其高效率、高功率密度、高功率因数、低噪声等优点，成为目前电动汽车驱动电动机应用的主流。电动汽车在一定坡度路段起动、停靠或驾驶员出现拉手刹踩油门、以及车轮被卡死等工况下，驱动电动机输出轴被抱死无法正常运转而处于堵转状态，此时被认为是驱动电动机的堵转工况，若处理不佳，则可能引发驱动电动机过热烧毁失效等现象。堵转工况是车辆常见工况之一，堵转特性是驱动电动机性能考核指标之一。然而，当前对驱动电动机性能的研究多集中于其在正常运转工况中的表现，对驱动电动机系统堵转性能的研究较少，鉴于此，本文从驱动电动机堵转性能出发，综合研究实际运行环境温度对其的影响，为后续驱动电动机系统综合性能评价以及整车参数匹配等提供参考。

1 PMSM堵转机理分析

1.1 PMSM堵转时能量传递分析

当电动汽车驱动电动机处于堵转工况时，由于电动机输出轴被抱死无法转动，输出的机械功率为零，而此时车辆动力蓄电池仍在为电动机逆变器供电，输入逆变器的直流电功率主要以发热的形式消耗在电动机绕组中，因此会造成绕组温度的急剧上升。图1所示为堵转工况时驱动电动机系统中的能量传递关系。其中，PINV为驱动电动机逆变器功率损耗，主要为 IGBT等功率模块的开关损耗及导通损耗等，由于逆变器逆变效率一般较高，因此这部分功率损耗一般较小。PFe为定子铁心中产生的涡流损耗以及磁滞损耗等铁耗，这部分功率损耗一般也较小，基本可忽略。PCU为定子绕组上产生的热损耗功率，是主要部分。

图2所示为某电动机处于堵转工况时，逆变器直流母线电压、直流电流、电动机输出转矩、直流侧功率以及电动机交流侧功率值。由图中不难看出，转速为零，机械功率为零，约7.4kW的电动机输入功率基本以发热的形式消耗在定子绕组中。

图1 堵转工况时驱动电动机系统能量传递关系

图2 某PMSM堵转工况下转矩及功率等参数

1.2 PMSM堵转时电流及损耗分析

基于转子磁链定向的矢量控制方式是目前PMSM驱动系统最常采用的控制方式之一，其控制方式与感应电动机类似，基本原理是将ABC三相静置坐标系转换为两相 d-q旋转坐标系，将定子绕组电流分解到以转子磁场定向的转子轴上，进而分解得到电动机的磁场电流和转矩电流，并进行解耦控制，从而使PMSM具有与直流电动机类似的控制性能。相关的研究已经很多，这里不再赘述。

PMSM在正常工作时，三相定子电流矢量相位之间互差120°，三相电流如下式所示：

式中，I为三相定子电流幅值；θ为转子位置，即定子电流矢量与参考轴（A相电流方向）之间的夹角。由此可见，正常工作时三相电流为对称的正弦交流电流。当PMSM处于堵转工况转子被固定在某个位置时，转子磁场位置也被固定，定子电流矢量也将被固定在对应的方向上，根据文献[2]的分析，此时存在堵转饱和效应，即永磁体转子产生的磁场对各相磁路产生不均衡的影响，进而导致三相定子电流不再是正弦电流，而是直流电流，且电流稳态幅值不相等。

图3所示为某PMSM在某个位置堵转时定子绕组电流分布。图中不难看出，C相绕组电流幅值明显高于A、B两相，C相绕组发热最严重，如果堵转工况持续时间过长，C项绕组就可能将最先被烧毁。根据文献[4]的分析，PMSM定子绕组端部是绕组发热时温度最高的部位，因此也是绕组温升的薄弱环节，在电动机设计及控制保护时应特别关注此部位的温升变化。

图3 某PMSM堵转工况下各相电流分布

根据文献[5]的分析可知，此时定子铜耗中电流各阶谐波引发的铜耗较少，基本可忽略，主要为基波损耗。

因此，PMSM堵转时电动机总铜耗简化为

其中，各相绕组铜耗简化为

式中，AR、BR、CR分别为三相绕组电阻值。

根据以上公式，可计算验证堵转时某PMSM电动机输入功率基本以发热的形式消耗在了定子绕组中，使定子绕组温度急剧上升。

2 堵转试验研究

2.1 试验平台

为了进行试验研究，本文采用了一套最大功率为 175kW，最大扭矩为 400N·m，最高转速为20000r/min的测功机系统，转矩传感器采用了高精度的HBM T12转速转矩传感器，可实现对转矩的精准采集。本套测功机系统能够实现对转子任意机械角度位置的锁死控制器，保证了本文堵转试验的实现。另外，为了模拟PMSM所处不同环境温度，本套测试系统配备了可实现−40℃～150℃不同温度恒温控制器的环境试验仓。整个试验平台如图4所示。

图4 PMSM堵转特性试验系统

2.2 试验方法

目前国内针对电动汽车驱动电动机堵转试验的方法及要求基本参考GB/T 18488.2—2015《电动汽车用驱动电动机系统 第2部分：试验方法》，按照该规范的试验步骤如下：

1）将电动机逆变器直流母线电压设置为系统额定电压。

2）使测试电动机系统处于室温冷态，一般为（25±3）℃。

3）将电动机转子堵住，通过逆变器向电动机施加相应的堵转转矩，测量并记录堵转转矩值及持续时间。

4）改变转子的机械角度位置，沿转子圆周方向均匀选取5个堵转测试点，即每隔72°机械角度选取一个测试点，重复步骤2）、3）。

5）将5次测试中的最小值作为该被测电动机的堵转转矩值。

为了进行PMSM堵转特性试验，本文采用了高精度转矩传感器以及采样频率高达 1000Hz的数据采集系统，同时采用滤波处理以消除试验过程中的转矩脉动，保证了数据的实时性与可靠性，为开展本文试验研究提供了保障。

图5所示为某PMSM在环境温度25℃时的堵转特性，每个机械角度下堵转持续时间为15s。据图可分析，在第1个堵转位置时C相绕组堵转；第2个堵转位置时B相绕组堵转；第3个堵转位置时A相绕组堵转；第4个堵转位置时C相绕组堵转；第5个堵转位置时A相绕组堵转。按照该标准的试验方法，此时该 PMSM 的堵转转矩为 TK=min[277.9,276.8, 280.5, 278.8, 276.5]N·m=276.5N·m。同时，为了研究在该环境温度下发生堵转时绕组的温升情况，基于前文分析，试验时在电动机定子绕组端部预先埋设了温度传感器，以实现对PMSM绕组温升监控。

表1所示为某PMSM在标准规定的试验条件下处于堵转工况时各个堵转点下的温升情况，并未超过其绕组绝缘等级H级对应的温升限值。在进行驱动电动机系统控制策略以及整车安全保护策略设计时，可参考此温升对电动机进行保护，避免因温升过高而将电动机烧毁。

图525 ℃环境温度下某PMSM堵转特性

表125 ℃环境条件下堵转工况温升

2.3 系统电压对PMSM堵转特性的影响

电动汽车运行时由动力蓄电池为驱动电动机逆变器供电，随着能量消耗以及环境条件影响，动力蓄电池的输出电压必然会产生波动，因此有必要就系统电压对PMSM堵转特性的影响进行研究。

图6所示为某PMSM驱动电动机在系统最高工作电压Umax以及最低工作电压Umin下的转矩特性及最大温升情况。从图中不难看出，系统工作电压对PMSM的堵转特性的影响不甚明显，但系统工作电压超过Umax上限以及Umin下限后，考虑放到IGBT等关键部件的工作特性，驱动电动机系统将进入过压或欠压保护机制而无法正常工作。

图6 不同工作电压下PMSM堵转及最大温升

2.4 环境温度对PMSM堵转特性的影响

如前文所述，目前堵转特性的测试规范是在室温冷态环境下进行的，然而电动汽车在实际运行时所处的环境比较恶劣，有极寒环境，亦有高温环境，且PMSM转子永磁体在高温环境下会出现退磁导致电动机转矩特性变差等特性，因此目前标准的试验方法以及考核指标具有一定的局限性。为此，本文根据道路车辆的实际运行情况，选取典型的环境温度−40℃、−20℃、0、25℃、55℃、65℃、85℃、105℃，按照前文所述的基本堵转试验方法，在不同环境温度下进行堵转特性研究。

图7所示为在不同的环境温度下某PMSM的堵转特性。从图中不难看出，温度较低时，PMSM的堵转转矩受温度影响不甚明显，但随着温度上升，由于转子永磁体对温度的敏感性，PMSM的堵转转矩逐渐下降。在评价PMSM的堵转转矩特性时，宜结合其温度特性，将不同温度工况下的最小值作为堵转转矩值。

图7 不同环境温度下PMSM堵转特性

3 结论

本文从电动汽车PMSM的堵转时的能量传递关系、电流关系以及热损耗等角度出发对堵转机理进行了分析，并结合现有试验规范研究了不同工作电压以及不同环境温度对PMSM的影响。试验表明，PMSM堵转性能受高温影响较大，在环境温度高于室温后，随着温度环境的上升，其堵转转矩能力下降。堵转性能作为电动汽车PMSM综合性能评价指标之一，影响着电动汽车的性能及安全，因此，本文的研究可为后续电动汽车整车设计及参数匹配等提供参考。

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