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,提出一种新的永磁同步电机无传感器V/F控制方法,当电机低速运行时,转矩轴电流可用于保持电机的高稳定性2。此外,为了提高电机在中频和高频下运行的稳定性,T u等人通过增加速度稳定环并提取功率串扰分量进行补偿3。恒压频比控制是一种常用的感应电机的速度控制方法,具有简单、有效、鲁棒性强等优点。但由于恒压频比控制是一种开环控制策略,电机转速和磁通的漂移会造成系统控制精度的下降,并影响电机的动态响应和负载能力。因此,恒压频比控制较少用于新能源电动机的控制。矢量控制是B l a s c h k e等人提出的,在特殊的d q坐标系中将定子电流解耦为转矩分量并在恒定转子磁通下磁化。通过在两相旋转坐标系中建立电机动力学模型,交流电机的控制可等效于无励磁的直流电机的控制。矢量控制具有平稳启动、转矩脉动低和速度范围宽等优点,比较适用于新能源载货商用车电机在复杂工况下需求的高动态响应。直接转矩控制是D e p e n b r o c k等人提出的,在矢量控制的基础上去除了电流回路。直接转矩控制采用两位B a n g-B a n g控制生成两相静态坐标中的PWM调制信号,代替矢量控制中的复杂坐标变换。因此,接转矩控制具有结构简单、动态响应快、抗干扰能力强、鲁棒性强等优点,适用于动态响应快、调速范围广的应用场合。但是,当电机低速运转时,直接转矩控制存在电流和转矩脉动等缺点。国内外许多研究人员将空间矢量脉宽调制与直接转矩控制结合起来以消除这些纹波的影响。L i等人提出一种采用二次估计和谐波电压消除方法的优化控制策略,在保持直接转矩控制高速动态响应和良好稳定性的前提下得到了抑制定子谐波电流的最终电压矢量4。S e k o u r等人提出了一种基于多机非线性模型预测方法的电机纵向稳定性控制策略,实现了电机加速打滑的调节和防抱死制动系统5。J u s t o等人提出了一种模糊模型预测直接转矩控制策略,不需要通过加权因子调制最佳开关状态,并最终实现了高速的转矩响应、较低的转矩脉动和准确的速度响应6。直接转矩控制技术虽然简单,但其具有出色的动态和静态性能。然而,它限制了逆变器开关频率的提升,而且由于没有电流回路,因此需要额外的测量来限制电流进行过流保护。同时,在低俗运转时,直接转矩控制的“死区效应”很明显。4 电流控制策略新能源载货商用车永磁同步电机控制策略包括id=0982 0 2 3年第2期控制策略、最大转矩电流比控制策略、最大转矩电压比控制策略、弱磁控制策略和单位功率因数控制策略。id=0控制策略的优点是算法相对简单、计算量较小、无退磁效应,因其功率因数较低,适用于低功率伺服系统。对于内嵌式永磁同步电机来说,需充分利用磁阻转矩,在提高电机转矩性能的同时,扩大电机的恒功率运行范围,因此id=0控制策略不适用于内嵌式永磁同步电机,只适合表面式永磁同步电机。最大转矩电流比控制策略充分利用了电机的磁阻转矩,极大提高了最大转矩输出。在输出转矩相同的情况下,大转矩电流比控制策略的定子电流最小,减少了铜损,提高了效率。但大转矩电流比控制策略较为复杂,鲁棒性不高。最大转矩电压比控制策略充分利用了电压极限椭圆和直流母线电压,以实现提高逆变器容量,增大弱磁范围内的输出转矩和系统的快速响应。但最大转矩电压比控制策略也相对比较复杂。弱磁控制策略通过增大d q坐标系中d轴退磁电流的大小来减小永磁电机的磁通,保证了电压平衡,增加了速度响应范围。但弱磁控制策略对于电机参数的扰动较为敏感,因此鲁棒性不强。基于c o s=1的单位功率因数控制策略,通过同时控制永磁同步电机d q坐标系中d轴和q轴电流,使功率因数等于1。单位功率因数控制策略充分利用了电机逆变器的容量,但降低了其电机最大转矩容量。5 电机控制算法新能源载货商用车驱动电机控制算法主要包括P I D、自适应控制、H控制、主动抗干扰控制、模型预测控制、神经网络控制、模糊控制和滑模控制。P I D控制算法是传统的控制算法,该算法稳定性较强,参数调节方便,结构相对简单,适用于线性和稳态系统。然而,永磁同步电机是一个强耦合的非线性系统,参数变量之间的耦合关系较为复杂。因此,为了提高算法性能,P I D控制算法需和自适应P I控制、神经网络P I控制和模糊P I控制等算法结合使用。然而,在转矩跟踪精度、响应速度、转矩脉动抑制和鲁棒性等方面,P I D控制算法仍然有所欠缺。自适应控制算法可以通过实时调整电机控制系统参数来调整系统的不稳定性,因此具有较强的鲁棒性。在自适应控制算法中,模型自适应控制最为常见。该算法由参考模型、可调系统和自适应机制组成,其中参考模型和可调系统的设计依赖于电机模型的准确度,因此该算法抗干扰能力不强。H控制算法通过算法使电机控制系统对于系统参数变化的鲁棒性增加,以保持控制系统性能,因此其鲁棒性和抗干扰能力都很强,但求解过程相对复杂。主动抗干扰控制算法设计了串扰观测系统来估计系统的不确定性,然后将估计量作为参数引入控制系统中以补偿系统参数的不确定性。主动抗干扰控制算法抗干扰能力较强,但由于观测器涉及到的参数较多,估计过程需要一定的计算时间,计算过程滞后,因此该算法存在一定的误差,影响了电机的控制精度。模型预测控制算法通过在每个采样时间点计算有限时间域内开环的最优控制解问题,实现高速的动态响应,其设计相对简单,但依赖于电机控制系统模型参数。神经网络控制算法通过神经网络的结构可以实现电机的平稳启动,减少转矩脉动,增加速度调节范围宽,并且具有较强的鲁棒性和抗干扰能力。但神经网络控制算法需要复杂的计算 才 能 得 到 结 果,一 般 适 用 于 离 线 参 数 的计算。模糊控制算法结构简单,鲁棒性好,对电机启动的影响较小,因此常被应用于永磁同步电机控制系统中。然而,在实际使用过程中,模糊控制算法设计依赖通常于工程经验。滑模控制算法对外界干扰的敏感性较低,且结构简单,对电机控制系统参数扰动的适应性较好,控制精度高。因此,滑模控制算法适用于非线性非稳态控制系统,但其具有较大的转矩脉动。6 总结本文从驱动电机、电机控制技术、电流控制策略和电机控制算法方面回顾了新能源载货商用车驱动电机及控制策略的现状和发展。本文阐述了不同驱动电机的性能和优缺点,永磁同步电机是新能源载货商用车的首选。同时,本文系统比较了常用的电机控制技术、电流控制策略和电机控制算法的优缺点。虽然在新能源载货商用车电机和控制技术得到了快速发展,但仍存有不足的地方,如新型的电机优化设计方案和高效的热管理方案、电机模型的设计、控制算法优化等均需进一步的研发。参考文献:1L i,Z.,K h a j e p o u r,A.,S o n g,J.:Ac o m p r e h e n s i v er e v i e wo ft h ek e yt e c h n o l o g i e sf o rp u r ee l e c t r i cv e h i-c l e s.E n e r g y1 8 2,8 2 4-8 3 9(2 0 1 9).2M a t s u k i,Y.,D o k i,S.:H i g hs t a b i l i t yV/f c o n t r o l o fPM S Mu s i n gs t a t e f e e d b a c kc o n t r o lb a s e do nn-tc o o r-d i n a t es y s t e m.I n t e r n a t i o n a l P o w e rE l e c t r o n i c sC o n f e r-e n c e,p p.2 2 2 4-2 2 2 8.3T u,W.,X i a o,G.,S u o,C.,Y a n g,K.:Ad e s i g no fs e n s o r l e s sp e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o rd r i v eb a s e do nV/f c o n t r o l.2 0 1 72 0 t hI n t e r n a t i o n a lC o n f e r-e n c eo nE l e c t r i c a lM a c h i n e sa n dS y s t e m s(I C EM S).2 0 1 7p p.1-5.4L 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