新能源载货商用车驱动电机及控制策略综述_周作栋.pdf

2 0 2 3年第2期新能源载货商用车驱动电机及控制策略综述周作栋1,郑开淼1,陈明福1,黎 尧2,陈 刚2,朱国华3,陈 磊4,谢浪生5(1.中国重汽集团福建海西汽车有限公司,福建 永安 3 6 6 0 0 0;2.三明学院,福建 三明 3 6 5 0 0 4;3.长安大学,陕西 西安 7 1 0 0 0 0;4.福建荣建集团有限公司,福建 龙岩 3 6 1 0 0 0;5.福建西南建设有限公司,福建 龙岩 3 6 1 0 0 0)摘 要:为助力我国“碳达峰、碳中和”的发展目标,实现汽车的脱碳转型,促进我国能源结构转型,载货商用车的新能源化已成为一种必然趋势。本文综述了新能源载货商用车驱动电机及控制策略的研究现状和技术发展。本文首先系统阐述了常用驱动电机的性能和优缺点,通过分析和比较发现永磁同步电机是新能源载货商用车的最佳选择。在此基础上,结合新能源载货商用车的所需面对的复杂工况,分析了不同电机控制技术、常用的电流控制策略和电机控制算法的性能,并提出了相应技术需解决的问题及未来的发展趋势。关键词:载货商用车;驱动电机;控制策略 中图分类号:U 4 6 1.2 文献标识码:A 文章编号:1 6 7 4-9 5 7 X(2 0 2 3)0 2-0 0 8 8-0 3R e v i e wo fD r i v eM o t o ra n dC o n t r o l S t r a t e g i e s f o rN e wE n e r g yC o mm e r c i a lV e h i c l eZ h o uZ u o-d o n g1,Z h e n gK a i-m i a o1,C h e nM i n g-f u1,L iY a o2,C h e nG a n g2,Z h uG u o-h u a3,C h e nL e i4,X i eL a n g-s h e n g5(1.S i n o t r u kF u j i a nH a i x i T r u k C o.,L T D,F u j i a nY o n g a n3 6 6 0 0 0;2.S a n m i n gU n i v e r s i t y,F u j i a nS a n m i n g3 6 5 0 0 4;3.C h a n g a nU n i v e r s i t y,S h a n x iX ia n7 1 0 0 6 4;4.F u j i a nR o n g j i a nG r o u pC o.,L t d.,F u j i a nL o n g y a n3 6 1 0 0 0;5.F u j i a nS o u t h w e s tC o n s t r u c t i o nC o.,L t d.,F u j i a nL o n g y a n3 6 1 0 0 0)A b s t r a c t:I no r d e r t op r o m o t e c a r b o np e a ka n dc a r b o nn e u t r a l i t yg o a l s a n d t r a n s i t i o no f v e h i c l e i n d u s t r y,n e we n e r g yc o mm e r c i a l v e h i c l ep r o v e s t ob ea n i n e v i t a b l e t r e n d,w h i c hw i l l h e l pt ob o o s t t h e t r a n s f o r m a t i o no fC h i n a se n e r g ys t r u c t u r e.I n t h i sp a p e r,t h e r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t o f d r i v em o t o r a n dc o n t r o l s t r a t e g i e s f o rn e we n-e r g yc o mm e r c i a l v e h i c l ew a sp r e s e n t e d.F i r s t l y,t h ep e r f o r m a n c ea n dc h a r a c t e r i s t i c so fd i f f e r e n td r i v em o t o rw a sa n a l y z e d.I ts f o u n dt h a t p e r m a n e n tm a g n e t s y n c h r o n o u sm o t o r i s t h eb e s t c h o i c e f o rn e we n e r g yc o mm e r c i a l v e-h i c l e.T h e n,c o mm o nm o t o rc o n t r o l t e c h n o l o g i e s,c u r r e n tc o n t r o l s t r a t e g i e sa n dm o t o rc o n t r o la l g o r i t h m sw e r ea l s od i s c u s s e d.F i n a l l y,p r o b l e m s t ob e s o l v e da n d t e c h n o l o g i e s t o r e s e a r c ho v e r t h en e x t f e wy e a r so f n e we n e r g yc o mm e r c i a l v e h i c l ew e r ep r o p o s e d.K e yw o r d s:C a r g oc o mm e r c i a l v e h i c l e s;D r i v i n gm o t o r s;C o n t r o l s t r a t e g i e s基金项目:中央引导地方科技发展资金项目,项目编号2 0 2 1 L 3 0 4 6作者简介:周作栋(1 9 8 8),男,工程师,本科,研究方向为新能源载货商用车工艺规划、生产准备。1 引言在过去的2 0年中,汽车行业已成为仅次于电力行业的最大的温室气体排放行业。为了减少温室气体的排放,达成“碳达峰、碳中和”的发展目标,汽车的新能源化已成为一种必然趋势1。电动汽车一般包括纯电汽车、混合动力汽车、插电式混合动力汽车和燃料电池混合动力汽车。由于汽车需频繁的启动、停止和加减速,低速运转时电机需输出高扭矩,高速运行时电机需保持高效运转,同时驱动电机要满足低震动、低噪音、高可靠性、高性价比等要求。因此,与工业电机相比,新能源汽车驱动电机需适应更加复杂和恶劣的工况。针对新能源载货商用车驱动电机及控制策略的发展,本文从驱动电机、电机控制技术、电流控制策略和电机控制算法方面进行分析和讨论。2 驱动电机新能源载货商用汽车驱动电机主要包括直流电机、开关磁阻电机、感应电机和永磁电机。由于速度调节简单,直流电机自1 9世纪末就被作为电动汽车的驱动电机。然而,直流电机效率过低、可靠性较差且质量较大,使其不适用于商用新能源汽车。目前,它们仅用于一些低速的电动汽车,如一些工厂内物流手推车和景区内的班车。开关磁阻电机的定子和转子由硅钢片组成,通常采用凸极结构。转子上没有绕组、滑环或永磁体,定子上只有简单的集中绕组。转子的简单结构使开关磁阻电机可以稳健、低成本和高速的运行。此外,其逆变器的拓扑结构可以防止其发生短路故障。开关磁阻电机具有结构简单坚固,调速范围宽,系统可靠性高的有点,但其具有转矩脉动大与噪声、震动大等缺点。感应电动机主要有由定子和转子,轴承组成。感应电机的定子主要由铁心,三相绕组,机座组成。定子铁心一般由表面具有绝缘层的硅钢片冲制、叠压而成,在铁心的内圆冲有均匀分布的槽,内嵌三相绕组。感应电机的转子铁心所用材料与定子一样,两端带环的转子88DOI:10.19475/ki.issn1674-957x.2023.02.016内燃机与配件 w w w.n r j p j.c n槽内 嵌 有 铝 或 铜 条。感 应 电 动 机 可 以 轻 松 地 以 超 过1 5,0 0 0R PM的高速运行,并具有较宽的恒定功率范围,具有结构简单坚固、成本低、可靠性高、转矩脉动小、噪音低、免维护等特点。然而,感应电动机控制电路复杂,其效率和功率密度与永磁同步电机相比较低,导致其在新能源汽车上的应用越来越少。永磁电机分为永磁直流电机、永磁同步电机、永磁无刷直流电机和永磁混合励磁电机。永磁直流电机采用永磁体替代传统直流电机的励磁绕组和磁极提供励磁,可以获得比传统直流电机更高的功率密度和效率。但由于永磁直流电机存在集电环和电刷系统,其维护成本较高,且使用寿命较短,转矩脉动大,这是永磁直流电机需进一步解决的问题。永磁同步电机中,其定子采用三相绕组,这与感应电机和传统同步电机类似,同时采用永磁铁取代了传统同步电机的励磁绕组。根据永磁体在转子上或转子内的位置,永磁同步电机可分为表面式永磁同步电机和内嵌式永磁同步电机。通过优化设计,内嵌式永磁同步电机具有高磁阻转矩、高效率、高功率因数、低发热、结构简单、封装小、噪音小等优点。同时,随着驱动电机控制策略技术的发展,内嵌式永磁同步电机在新能源驱动电机中逐步占据主导地位。此外,由于内嵌式永磁同步电机采用全封闭结构,其维护成本较小,风阻损失和风噪也较小。永磁无刷直流电机在理论和结构上是一种特殊的永磁电机,它的绕组是集中的。永磁无刷直流电机定子的电流波形为梯形,也不需要电刷系统。然而,永磁无刷直流电机在换向时会出现转矩脉动和噪声,因此,其最大转速很难达到基速的两倍以上。在永磁同步电机中加入励磁绕组后,此时,电机中既有永磁铁也有励磁绕组,称为永磁混合励磁电机。该电机磁通泄露最小、气隙中的磁通密度较高,同时具有较高的功率密度和良好的转矩速度特性。但其缺点也显而易见,由于同时具有永磁铁和励磁绕组两种独立的激励,其拓扑结构和控制系统会更复杂。上述所有电机中,直流电机在控制系统上最为简单,感应电机在转速上有一定优势,开关磁阻电机在速度和可靠性上有较好的表现,而永磁同步电机在效率、尺寸、可靠性和性能方面上均优于其它电机。因此,综合来看,永磁同步电机是新能源载货商用车的最佳选择,也是今后的发展方向。随着新能源技术和新能源载货商用车的发展,电机技术将朝着高效、高转速、高功率密度、低噪声、更好的电磁兼容性和低成本等方面进一步发展。为了实现以上高性能的永磁同步电机,目前国内外的研究主要聚焦以下方面:采用扁平绕组线、矩形绕组线或发夹绕组等方式提高槽填充率的新型绕线技术,以此降低绕组发热,提高电机扭矩密度、功率密度和效率;通过提高电机运行速度,降低电机对转矩的要求,从而实现减小电机的体积和重量,提高电机功率密度的高速电机技术;采用新的电机冷却方式和冷却拓扑结构,以提高电机功率密度的热管理技术。3 电机控制技术新能源载货商用车电机的性能与其控制策略直接相关。对于永磁同步电机而言,由于其电机模型为非线性,需要控制的电机参数变量较多且变量与时间相关,参数之间耦合关系复杂,同时,为了电机可以发挥更好的性能,控制策略需满足高动态响应、高精度高、强抗干扰等特点。永磁同步电机变压变频调速系统可以通过恒压频比控制策略、矢量控制策略和直接转矩控制策略进行控制,使电机发挥出较好的性能。恒压频比控制通过保持电机气隙磁通不变,在降低频率的同时降低输出电压以保持电压和频率之比为常数,是一种基于稳态电机模型的开环控制策略。在传统恒压频比控制策略的基础上,M a t s u k i等人将状态反馈控制技术应用到转速-转矩坐标系中,提出一种