文章目录

简介
- EV电驱动系统
- 电驱动控制技术
- 电驱动系统要求
- 感应电机损耗最小的效率优化控制
- 转矩动态特性
感应电机损耗
感应电机的效率优化
- 感应电机在高速区的限制
感应电机高低速区最优磁链的选取(损耗模型)
- 基速以下
- 基速以上
最小定子电流控制
- 两种磁链优化算法的关系
快速响应动态性能策略

简介

EV电驱动系统

电动汽车的电驱动系统主要由驱动电机、功率变换器和控制器三大部分组成。驱动电机主要采用PMSM、开关磁阻电机、IM等交流电驱动系统。

永磁同步电机是一种高性能的电机具有体积小、重量轻、结构简单、效率高以及控制灵活的优点在电动汽车上得到了广泛的应用。但是由于永磁同步电机转子为永磁体，无法调节，必须通过调节定子电流，增加定子电流直轴去磁分量来削弱磁场。这样势必要提高定子电流，增加了系统的铜耗。同时永磁电机的磁钢价格较高，磁性能受温度振动等因素的影响‚有高温退磁等问题，且过载能力受控制器限制。

开关磁阻电机结构简单转子上没有绕组、磁钢或滑环，适合高速运行。开关磁阻电动机具有简单可靠，可在较宽转速和转矩范围内高效运行，控制灵活，可四象限运行，响应速度快和成本较低等优点。然而在实际应用中，开关磁阻电动机存在着转矩波动大、噪声大、需要位置检测器等缺点。

感应电机的调速控制技术比较成熟具有结构简单、体积小、质量小、成本低、运行可靠、免于维修、转矩脉动小、噪声低、转速极限高和不用位置传感器等优点。感应电机的不足之处是效率比永磁电机和开关磁阻电机低，特别是在轻载运行时效率更低。

电驱动控制技术

对于以感应电动机为驱动电机的电动汽车来说，在20世纪90年代以前，主要以PWM方式实现U/f控制和转差频率控制，但因转速控制范围小，转矩特性不理想而不适合频繁起动、加减速的电动汽车。近年来，由感应电动机驱动的电动汽车几乎都采用矢量控制和直接转矩控制，转速信息的获取也从使用转速传感器发展向无转速传感器技术。

随着电机及驱动系统的发展，控制系统趋于智能化和数字化。控制技术从传统的PID控制，发展到滑模变结构控制、自适应控制、精确反馈线性化控制、反步法等非线性控制。近几年来，各种智能控制技术—模糊控制和神经网络控制等也已经应用于电驱动。
虽然国内外电动汽车广泛采用的标准感应电动机矢量控制的调速性能完全能够满足需求，但是其效率并不理想，更不是最优的。电动汽车行驶时，电机常工作在轻载状态，整个驱动系统的效率明显降低。

电驱动系统要求

高转矩-惯量比和宽调速范围
在整个转矩/转速运行范围内的效率最优化
加减速性能好，转矩控制灵活且响应快，可适应路面变化及频繁的起动和刹车
应具备能量回馈功能
电机及电控装置结构坚固、体积小、重量轻、抗颠簸振动，有一定的过载能力，单位功率的系统设备成本尽可能的低

感应电机损耗最小的效率优化控制

标准的矢量控制方法，在恒转矩调速范围内，保持电机的励磁电流恒定，然而在轻载时，系统运行在额定的磁通会引起过度的铁心损耗，电机效率降低，影响电驱动系统的综合效率，也就是说性能卓越的矢量控制变频驱动系统在效率方面并不是最优的。

优化控制策略主要有基于损耗模型的控制测策略(LMC-Loss Model Control)、搜索控制器和最小定子电流控制等。

参考文献：

转矩动态特性

恒转矩区常采用的磁通恢复额定、定子电流动态分配等方法，因受运行条件及电压限制等因素而无法直接扩展到高速区。而目前基频以上弱磁区的研究集中在最大转矩输出能力上，主要是对标准矢量控制的1/wr法弱磁策略的分析和改进，得到的结论基本都是基于稳态分析的，未对电机转矩动态响应能力进行探讨。

感应电机损耗

铜损Pcu
铜耗指电流通过定、转子绕组时产生的热损耗，其值为：

式中，m为相数。
铁心损耗Pfe
铁心损耗指交变磁通在铁心中产生的磁滞及涡流损耗，可表示为：

式中，Ke和Kh分别为涡流和磁滞损耗系数，是由铁心加工及磁密分布不均匀引起的铁损增加的系数，w1是电源角频率，phim是气隙磁通。要想减少铁损，除了提高，铁心质量、降低磁密不均匀程度、选用优质硅钢片和降低单位铁损外，还可采用适当降低感应电动机端电压或降低铁心磁通的方法。另外，目前的变频调速感应电机都是由PWM电源而不是纯正弦电源供电，与正弦电源供电相比，PWM供电将引起电机铁损的增加。
机械损耗Ploss
机械损耗主要包括风摩损耗及轴承摩擦损耗，其表达式为：

感应电机的效率优化

感应电动机的效率优化控制就是在满足电机运行条件要求指满足所需要的转矩和转速的前提下，通过调节某些变量，如功率因数、定子电流、定子功率、动炸匕、转子磁链、输入电压、转差等，使电机的损耗最小，效率最优。其中，以调节电机转子磁通水平为核心的效率优化策略因按转子磁场定向的矢量控制的日益普及而研究最多。

在矢量控制下，对于给定的电机转速和负载转矩，减小励磁电流则转子磁链降低，电机的铁心损耗会随之减小，此时，转矩电流必须增加以维系转矩输出，这导致铜损有所升高，而在一定的范围内总的损耗会降低。但是，若磁链降得过低，虽然铁损已减至很小，但转矩电流过分增大，会导致电机铜损明显增加，造成总损耗增加，效率降低。

对于某一给定的转矩一转速运行点，存在一个使电机损耗最小的最优磁通，使铁损和铜损达到某种平衡，此时系统运行效率达到最大值，损耗达到最小。
总损耗表达式：

感应电机在高速区的限制

由逆变器供电的电动机，受到电压、电流等限制。电压限制主要与逆变
器的输出电压、电机本身的电压等级有关电流主要受逆变器的输出能力限制。即：

感应电机的定子电压方程：

进一步得到：

效率优化算法针对的是稳态下的情形，对于按磁场定向的矢量控制来说，稳态下有：

化简：

感应电机高低速区最优磁链的选取(损耗模型)

基速以下

考虑铁损Rfe，不同转矩和转速情况下的最优磁链，当Rfe为无穷大时，相当于不考虑铁损：

效率最优的磁通选取与转速和负载转矩都有关，其趋势是在一定的转速
下；随着转矩的增加而提高在一定的负载下，随着转速的升高而降低。
将最优磁链带入总损耗：

基速以上

电压和电流限制圆交点磁链与高速区最优磁链：

通过寻求最优磁链使电机损耗最小，其实质是通过降低电机轻载时的磁通水平
以减小铁损，使其与铜损达到某种平衡实现效率的提升。
要想得到较高的运行效率，最优磁通的选区并非一定比其额定值低，尤其是在低速高转矩的情形下。然而，电动机在设计时一般在额定磁通附近，即将要进入饱和区。实际运行时为了得到较高的磁通，则不得不使定子电流的励磁分量非常高，这样将造成铜损的增加，破坏了效率最优时的铜损和铁损间的平衡关系，则无法有较高的能量利用率。
此时应对磁链的选取作相应限制，且不会对效率优化控制做成太大影响：

最小定子电流控制

最小定子电流控制最初实际上是一种基于在线搜索的控制策略，它直接以定子
电流最小作为搜索目标，来达到优化系统效率的目的。从这个角度上来说，它属于一种基于简单变量的标量节能控制方法。

很明显，当定子电流的励磁分量和转矩分量相同时，两矢量的合成幅值最小，即实现定子电流最小。
定子电流最小仅对应定子铜损最小，也就是说最小定子电流法其本质上是一种忽略铁心损耗和转子铜损的效率优化算法。该算法表示为：

两种磁链优化算法的关系

为电机同步转速的函数：

定子电流最小并不能保证电动机的效率全局最优，而且其控制效果受到磁饱和现象和电机参数变化的影响。但是，最小定子电流控制实现起来较为简单，也有较好的节能效果。

快速响应动态性能策略

不管是哪种感应电动机效率优化算法，其本质都是采用在轻载时降低电机磁通水平以减小铁心损耗的方法来实现效率的提升。磁通水平的降低不可避免的带来转矩输出能力的减弱，系统的动态响应速度就会明显低于标准矢量控制恒额定磁链运行的情况，出现动态速降大、加速缓慢等问题。以牺牲动态响应速度来换取效率的提高，对控制性能要求较高的电动汽车电驱动系统或交流伺服等系统来说是不允许的 … …

[1]. 李珂. 电动汽车高效快响应电驱动系统控制策略研究 [D]; 山东大学, 2007.

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