新能源汽车高功率密度动力总成研究

2020-04-14尚巍狄松茂黄富平王经伟

电子元器件与信息技术 2020年11期

尚巍，狄松茂，黄富平，王经伟

（1.上海齐腾驱动技术有限公司，上海 201208；2.上海电驱动股份有限公司，上海 201208；3.蔚来汽车，上海 201208；4.伊顿车辆集团，上海 201208）

0 引言

传统新能源汽车动力总成部分，基本上都切换到PMSM（永磁同步电机）了，如何提高功率密度，现阶段有如下几个途径：①电机本体方面，主要是优化磁路并使用更强的磁性材料；②驱动器方面，主要是优化硬件设计，比如使用SiC之类新型器件；③软件方面，主要是优化算法，比如使用7段SVPWM以及三次谐波注入等降低发热进而提高功率密度；④整体方面，主要是优化结构，比如一体化设计、优化水道设计甚至采用油冷喷溅等技术。

但是，这些只能是一种优化而不可能有本质的改变，特别是低速大扭矩和高速高效率的矛盾无法解决。为了兼顾低速大扭矩的要求，传统PMSM在高速阶段不得不进入弱磁甚至是深度弱磁，通过额外的消弱永磁体的磁性实现基频以上的运行，这种工作状态下电机的效率是非常低的，为了满足高速输出功率的要求不得不加大电机设计余量，也就是大大降低了功率密度[1-2]。

1 高功率密度的分析与提升

根据多年的研究，不仅仅按照传统PMSM的控制方式使用磁场做功，还使用了常常被忽略的磁阻部分做功，这样在现有整体构架不变的前提下，通过对电机本体结构的细微改变以及新型控制算法就解决了此问题。实际测试数据表明，经过这些改变，电动机启动扭矩增加了20%，功率密度增加了10%以上，高速效率提升8%以上，目前这些技术已经申请了专利并受到法律保护[3-4]。整个技术的难点在于，如何使用磁阻做功，以及如何自由的调整磁场做功和磁阻做功的比例。这要分两方面来解决：软件算法和电机本体的配合。

1.1 软件算法

软件算法按速度分三个阶段：①电机在低速和启动时，主要是磁场做功磁阻起到辅助作用，更像是一个传统的PMSM；（②随着转速逐步提高，软件上逐步的减少磁场做功的分量、增大磁阻部分的分量，这个阶段像是PMSM和PMASR（同步磁阻电机）的混合体；③当达到一个较高的转速区间，扭矩的主要贡献来自于磁阻做功，这个时候只需要在d轴上施加少量弱磁即可满足传统PMSM弱磁的需要，在这个阶段，更像是PMASR（同步磁阻电机），因此可以取得较高效率。

1.2 电机本体配合

常见电动机的基本原理都是磁场之间作用，电磁铁吸磁铁的精髓其实就是让电磁铁形成的S极和磁铁的N极之间形成一个夹角，进而形成扭矩。铁的旋转更多看和电磁铁这条线的夹角趋于最小进而达到磁阻最小，而磁铁的旋转更多看电磁铁的的极性产生的相吸/相斥的作用[5]。这就是磁阻转矩电机和永磁电机最大的区别了，作用的电磁铁的磁力线要和磁阻小的这个轴成锐角，这样就能把铁吸向朝着电磁铁的磁力线重新一致的方向旋转，也就是磁场和磁阻同时对扭矩做贡献。图1为虚拟合成矢量构成示意。

一般有凸极效应的电机中，磁阻大的是q轴，因为有磁铁在，磁阻小的是d轴，我们要让电机加速旋转，还要利用一部分磁阻转矩，这时候的控制角就要大于90°（控制角指的是定子磁矢量超前转子d轴的角度），也就是要把定子磁矢量控制到超前q轴才有效，这样电磁铁就和磁阻小的d轴成锐角了。换句话说要把PMSM中“浪费”掉的那部分磁阻力矩使用上，和传统FOC控制最大的区别就是d轴和q轴的夹角不是固定90°，而是一个时刻调整，角度越小磁阻部分做功比例越大，反之越小。

通过适当设计转子磁通屏障使转子各向异性最大化，如图2（a）所示。所选择的参考系与IPM机通常采用的参考系不同，在磁通屏障内部有足够的空间来插入烧结的NdFeB磁体，并且通常因为磁通屏障导致仅部分填充。由于相关的扭矩百分比是由各向异性产生的，因此所采用的磁铁量（在同样的输出扭矩和电机尺寸下）大大低于大多数IPM电机通常显示的量[6]。

为了减小转矩脉动，定子和转子往往采取斜磁设计，由于自动批量生产时定子做斜磁成本较高，所以通常在转子上进行斜磁。烧结磁体通常做成矩形，转子叠片可以通过自动机械快速填充，因此，在定子和转子之间获得斜磁效应的最好方法是将转子分成相等长度的独立部分，每个部分填充有永磁体。这些部分必须以适当的错位角度堆叠在轴上，以减少最重要的转矩谐波，其转子叠片有目的地设计成获得具有低磁阻（d轴）和高磁阻（q轴）方向的方向，如图2（b）。

以这种方式组装的转子可以定义为“阶梯式”转子。为了获得与歪斜电动机可获得的扭矩波动相当的扭矩波动，转子必须至少分成四个部分。此外，从轴向气隙移动，特殊设计的不同的磁铁外形曲线，可以减少气隙处的磁通密度谐波。因此，必须提供不同尺寸的磁体，并且需要复杂的机械定位系统来填充转子，这在制造工艺上将会是一个很复杂的问题。所以，烧结磁体的一个现实的替代方案是使用粘结磁体（塑性稀土磁粉），即使它们的磁特性并不比烧结NdFeB磁体的磁特性好，但是也是可以满足基本要求的，最大的好处是最终的是粘结磁体会自然的贴合空腔结构，形成我们需要的形状，所以可以自由设计磁通屏障的形状以优化转子各向异性[7]。在注入之后，转子必须通过适当的磁化装置进行磁化，同时考虑到磁体必须在-q轴方向上磁化，这意味着要在最高磁阻方向上进行操作。样机实际测试参数如图3所示。

图3（a）显示了磁链d与id电流的关系，以iq电流为参数，而图3（b）显示了d与iq的关系，以iq为参数。从两个图中可以看出交叉饱和的影响非常明显（额定电流幅度为峰值7A）。此外，还可以看到iq取正值或负值时交叉饱和效应是完全不同的。当然，在实际工作点上iq总是积极和有贡献的，而且电机特性在整个平台中表现还是很不错的，因此可以证明磁场和磁阻都对扭矩的增加是有贡献的。