車用高性能永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的研發(fā)

車用高性能永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的研發(fā)［摘要］重點(diǎn)介紹高性能車用永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的高功率密度車用電機(jī)控制器、廣域高效混合勵(lì)磁電機(jī)和全數(shù)字化高性能電機(jī)控制軟件平臺(tái)3項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，提出了在功率密度、全范圍效率、可靠性、維護(hù)性和成本等方面均優(yōu)于傳統(tǒng)的車用永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的解決方案。在此基礎(chǔ)上開發(fā)出高功率密度車用電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)樣機(jī)，成功應(yīng)用于力帆LF620純電動(dòng)警務(wù)車，并服務(wù)于2010年上海世博會(huì)上。關(guān)鍵詞:永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng);電機(jī)控制器;混合勵(lì)磁電機(jī);全數(shù)字化控制前言車用電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是電動(dòng)汽車的關(guān)鍵和共性技術(shù)。因受到車輛空間限制和使用環(huán)境的約束，車用電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)不同于普通的電傳動(dòng)系統(tǒng)，它要求具有更高的運(yùn)行性能(如全速度范圍的高效率)、更高的比功率(不低于1.2kW/kg)以及更嚴(yán)酷的工作環(huán)境(環(huán)境溫度達(dá)到105℃)等等［1］，為滿足這些要求，車用電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)基本上可以歸納為電機(jī)永磁化、控制數(shù)字化和系統(tǒng)集成化。與國際先進(jìn)水平相比，我國在面向車輛工況的電機(jī)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)能力，滿足產(chǎn)業(yè)化需求的全數(shù)字化電機(jī)控制軟件平臺(tái)建設(shè)，機(jī)電一體化系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)能力，以及高集成度功率電子模塊研制與生產(chǎn)、產(chǎn)品可靠性、耐久性和成熟度的考核與分析等方面，仍存在較大差距。隨著我國電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程的推進(jìn)，這些技術(shù)差距必將影響相關(guān)行業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。本文中重點(diǎn)介紹了高性能車用永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中高功率密度、高效率與低成本的車用電機(jī)控制器、廣域高效混合勵(lì)磁電機(jī)和滿足可重復(fù)性、可移植性和易使用性要求的全數(shù)字化高性能電機(jī)控制軟件平臺(tái)3項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，提出了在功率密度、全范圍效率、可靠性、維護(hù)性及成本等方面均優(yōu)于傳統(tǒng)的車用永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的解決方案。并開發(fā)出新型混合勵(lì)磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和高功率密度、高效與低成本的車用電機(jī)控制器樣機(jī)，后者已成功應(yīng)用于力帆LF620純電動(dòng)警務(wù)車，服務(wù)于2010年上海世博會(huì)。1高功率密度車用電機(jī)控制器電動(dòng)汽車中主驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器一般采用典型的三相橋式電壓源逆變電路，其主要部件包括功率模塊、直流側(cè)支撐電容和疊層母線排［2］。根據(jù)車輛對(duì)控制器的功率等級(jí)需求，功率模塊大多采用絕緣柵雙極型晶體管(insulatedgatebipolartransistor，IG-BT)，其成本一般占到電機(jī)控制器總成本的30%以上，功率模塊的性能、可靠性與成本直接影響電機(jī)控制器產(chǎn)業(yè)化的實(shí)現(xiàn);直流側(cè)支撐電容是控制器中最重要的無源器件，主要作用是吸收功率模塊開關(guān)造成的直流側(cè)脈動(dòng)電流，穩(wěn)定直流側(cè)輸出電壓電流，從而提高蓄電池使用壽命，其體積和質(zhì)量對(duì)控制器的功率密度有很大影響。因此，IGBT功率模塊和直流側(cè)支撐電容是提高控制器性能和控制成本的關(guān)鍵。1.1智能IGBT功率模塊的研發(fā)為提高IGBT功率模塊的運(yùn)行性能和可靠性，降低成本，中國科學(xué)院電工研究所聯(lián)合國內(nèi)功率模塊封裝企業(yè)進(jìn)行具備自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的國產(chǎn)智能IGBT功率模塊的研發(fā)。在IGBT設(shè)計(jì)方面進(jìn)行了大量分析優(yōu)化和工藝設(shè)計(jì)工作。首先，借助計(jì)算機(jī)仿真分析技術(shù)，優(yōu)化模塊內(nèi)部芯片布局和布線，從而減少了模塊內(nèi)部的雜散電感;優(yōu)化底板設(shè)計(jì)、控制底板弧度，降低了芯片應(yīng)力;采用氮化鋁DBC基板，降低了熱阻。其次，應(yīng)用專有干法大面積焊接免清洗技術(shù)，減少了焊接空洞率，減少熱阻;研究應(yīng)力控制的壓焊技術(shù)，提高了電流浪涌能力，減少了引線的雜散電感。研發(fā)出的智能IGBT功率模塊內(nèi)部布局及實(shí)物見圖1(a)和圖1(b)。同時(shí)，進(jìn)一步提高系統(tǒng)集成度，在智能IGBT功率模塊內(nèi)部集成了驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路。在驅(qū)動(dòng)技術(shù)方面，采用分段驅(qū)動(dòng)方式，在常規(guī)推挽驅(qū)動(dòng)原理電路中加入可控輔助充放電電流源，在縮短器件開關(guān)時(shí)間的同時(shí)，降低開通過程中集電極電流尖峰和關(guān)斷過程中集射電壓尖峰，減小開關(guān)應(yīng)力、損耗和噪聲;在保護(hù)技術(shù)方面，采用了集射電壓檢測(cè)方式和短路保護(hù)實(shí)現(xiàn)電路，在短路發(fā)生后無延時(shí)地箝制由米勒效應(yīng)造成的門電壓抬升，避免誤導(dǎo)通。1智能IGBT功率模塊及60kW高功率密度電機(jī)控制器2直流側(cè)支撐電容的選擇在由蓄電池儲(chǔ)能的電動(dòng)汽車中，由于蓄電池組內(nèi)部等效電容很大，一般在法拉量級(jí)［3］，對(duì)直流電壓的濾波可主要由蓄電池組實(shí)現(xiàn)，支撐電容并不獨(dú)自承擔(dān)電壓濾波的功能。由于平穩(wěn)的輸出電流有利于提高蓄電池組的使用壽命，因而在正常工況下，希望蓄電池組輸出電流Iin接近于理想直流，此時(shí)直流側(cè)電容須吸收因IGBT不停開關(guān)所造成的脈動(dòng)電流，導(dǎo)致直流側(cè)電容電流Icap不斷脈動(dòng)，因此在蓄電池組供電的條件下，直流側(cè)電容的選取主要考慮其能提供的紋波電流有效值的大小，而電容值可相對(duì)選取較小。直流側(cè)支撐電容的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法是采用一組串并聯(lián)的電解電容，體積大而且可靠性不高，難以進(jìn)一步提升功率密度。采用聚合物膜(金屬聚丙烯膜)作為電介質(zhì)的金屬膜電容體積小、高頻特性好具有更大的電流提供能力和更低的等效電阻;壽命可達(dá)到100000h，而普通電解電容只有5000～10000h。這些特征使金屬膜電容非常適合電動(dòng)汽車的應(yīng)用條件［4－5］。高功率密度的車用電機(jī)控制器采用新型220μF/600V金屬膜電容作為直流側(cè)支撐電容。該電容采用金屬聚丙烯膜作為電介質(zhì)，工作溫度可達(dá)到105℃。10kHz時(shí)能夠提供有效值為100A的峰值紋波電流，開關(guān)頻率即使在20kHz時(shí)，也仍保持容性阻抗特性，同時(shí)電容值可隨開關(guān)頻率增加而增加。很明顯，膜電容具有低感、高頻特性好和大電流提供能力等優(yōu)點(diǎn)，非常適合較高頻率條件下應(yīng)用。1.3高功率密度電機(jī)控制器的研發(fā)應(yīng)用智能IGBT功率模塊和金屬膜電容技術(shù)所研制的60kW高功率密度電機(jī)控制器如圖1(c)所示，該控制器的質(zhì)量比功率為4kW/kg，體積比功率為6kW/L。2廣域高效混合勵(lì)磁電機(jī)無刷永磁電機(jī)具有高能量密度、體積小、質(zhì)量輕和效率高等優(yōu)點(diǎn)，在電動(dòng)汽車中具有極好的應(yīng)用前景，已應(yīng)用于國內(nèi)外多種電動(dòng)車輛。但其永磁磁鏈無法調(diào)節(jié)的缺點(diǎn)在恒定供電電壓下會(huì)帶來弱磁控制問題:車輛動(dòng)力性能要求電機(jī)系統(tǒng)在高轉(zhuǎn)速下具有較寬的恒功率調(diào)速范圍以保證車輛的高速性能。由于受到電池電壓的限制，目前大部分永磁電機(jī)系統(tǒng)采用增加定子繞組去磁電流的方法來抵消永磁磁場(chǎng)，從而達(dá)到恒定供電電壓下弱磁調(diào)速的目的，但這種方法降低了系統(tǒng)效率和功率因數(shù)，增加了控制器成本，同時(shí)還存在深度弱磁控制時(shí)穩(wěn)定性差和高速失控時(shí)的電壓安全問題?；旌蟿?lì)磁電機(jī)能解決以上問題。2.1旁路式混合勵(lì)磁電機(jī)的基本原理混合勵(lì)磁電機(jī)是在永磁電機(jī)與電勵(lì)磁電機(jī)的基礎(chǔ)上演變而來，通過在永磁電機(jī)中引入電勵(lì)磁繞組使電機(jī)獲得勵(lì)磁可控的性能，電機(jī)更適合于寬速度范圍、高弱磁比的應(yīng)用場(chǎng)合，彌補(bǔ)了單一勵(lì)磁方式的不足。中國科學(xué)院電工研究所以旁路式混合勵(lì)磁電機(jī)為研究對(duì)象，在電機(jī)結(jié)構(gòu)、電機(jī)參數(shù)特性、電機(jī)數(shù)學(xué)模型和勵(lì)磁電流規(guī)劃等方面進(jìn)行了深入研究。旁路式混合勵(lì)磁電機(jī)工作原理如圖2所示，為最大程度繼承永磁電機(jī)高效和高功率密度的優(yōu)點(diǎn)，電機(jī)勵(lì)磁主要由永磁磁勢(shì)提供，電勵(lì)磁磁勢(shì)主要用于增強(qiáng)或削弱主磁路磁通，通過調(diào)節(jié)電勵(lì)磁電流大小實(shí)現(xiàn)電勵(lì)磁助磁與弱磁功能。助磁工況電勵(lì)磁助磁工況下的磁路如圖2(a)所示。N極側(cè)的電勵(lì)磁磁力線從電勵(lì)磁端蓋通過軸向氣隙進(jìn)入電機(jī)轉(zhuǎn)子N極，與永磁體磁力線一同通過主氣隙與電樞繞組交鏈，一部分磁力線通過端蓋閉合，另一部分磁力線通過電機(jī)軛部與主氣隙進(jìn)入轉(zhuǎn)子S極，通過S極側(cè)軸向氣隙進(jìn)入電勵(lì)磁旁路閉合。弱磁工況電勵(lì)磁弱磁通過勵(lì)磁電流反向?qū)崿F(xiàn)，反向的電勵(lì)磁磁勢(shì)與永磁體磁勢(shì)建立與助磁工況下電勵(lì)磁旁路中相反的磁力線方向，部分永磁體磁力線不經(jīng)過主氣隙與電樞繞組交鏈，實(shí)現(xiàn)電機(jī)弱磁運(yùn)行。2樣機(jī)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果目前已完成的原理樣機(jī)最大輸出功率為4kW，電勵(lì)磁磁勢(shì)為±1200A·T。圖3為采用最優(yōu)勵(lì)磁圖2旁路式混合勵(lì)磁電機(jī)工作原理電流規(guī)劃后的電機(jī)效率和恒定4A勵(lì)磁電流下實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比。由圖可見，混合勵(lì)磁電機(jī)高效區(qū)范圍及轉(zhuǎn)速范圍均有拓寬。2旁路式混合勵(lì)磁電機(jī)工作原理綜合來看，與傳統(tǒng)無刷永磁電機(jī)相比，旁路式混合勵(lì)磁電機(jī)具有顯著優(yōu)點(diǎn):如低速時(shí)增大勵(lì)磁以提高輸出轉(zhuǎn)矩;高速運(yùn)行時(shí)減小或反向勵(lì)磁從而拓寬電機(jī)的恒功率弱磁區(qū);降低電機(jī)在高速運(yùn)行下的鐵損，提高效率;動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流大小，提高負(fù)載變化時(shí)發(fā)電電壓動(dòng)態(tài)性能;減小電樞反應(yīng)弱磁磁勢(shì)，降低永磁體高溫運(yùn)行時(shí)的失磁風(fēng)險(xiǎn)等?；旌蟿?lì)磁是未來車用永磁電機(jī)的重要發(fā)展趨勢(shì)。3混合勵(lì)磁電機(jī)效率對(duì)比3全數(shù)字化高性能電機(jī)控制軟件平臺(tái)電動(dòng)車輛的大批量標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，要求其驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)所采用的控制軟件滿足可重復(fù)性、可移植性和易使用性的要求，具有這些特點(diǎn)的全數(shù)字化電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)是其重要發(fā)展方向之一。除永磁同步電機(jī)控制所需的核心控制策略———包括深度弱磁技術(shù)、死區(qū)補(bǔ)償技術(shù)、抗積分飽和PI技術(shù)、解耦技術(shù)等磁場(chǎng)定向控制技術(shù)外，為滿足電動(dòng)車輛的高度可靠性和安全要求，數(shù)字化車用驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)還要求具有故障監(jiān)控、故障保護(hù)和自診斷等功能。1軟件平臺(tái)主要功能為達(dá)到保證可靠性的前提下滿足軟件系統(tǒng)可重復(fù)性、可移植性和易使用性的目的，根據(jù)電動(dòng)汽車對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的要求以及開發(fā)使用人員的需求對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)軟件系統(tǒng)按照系列化、平臺(tái)化和服務(wù)化的目標(biāo)進(jìn)行規(guī)劃。軟件平臺(tái)拓?fù)淙鐖D4所示。該全數(shù)字電機(jī)驅(qū)動(dòng)軟件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了以下主要功能:(1)軟件硬件分離為方便軟件開發(fā)人員，并實(shí)現(xiàn)軟硬件的解耦，把軟件從硬件中剝離出來，形成軟件算法文件和硬件配置文件;(2)算法功能模塊化按最小功能化把所有的算法模塊化，實(shí)現(xiàn)算法間解耦;(3)參數(shù)分類提取對(duì)系統(tǒng)平臺(tái)中出現(xiàn)的所有參數(shù)進(jìn)行提取并分類，方便參數(shù)配置;(4)快速開發(fā)模式采用功能模塊串聯(lián)的方式，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)平臺(tái)的快速升級(jí)和第三方開發(fā);(5)產(chǎn)權(quán)保護(hù)功能以IP核的方式靈活實(shí)現(xiàn)核心算法的產(chǎn)權(quán)保護(hù)。圖4電機(jī)驅(qū)動(dòng)軟件控制平臺(tái)2關(guān)鍵技術(shù)電機(jī)驅(qū)動(dòng)軟件控制平臺(tái)的核心算法采用全數(shù)字化的磁場(chǎng)定向控制(fieldorientedcontrol)，結(jié)合上位機(jī)控制，集成如下控制技術(shù)。具有轉(zhuǎn)速控制、轉(zhuǎn)矩控制及功率控制3種模式，并可實(shí)現(xiàn)自由切換［6］。在全速度范圍恒轉(zhuǎn)速控制誤差≤10r/min;恒轉(zhuǎn)矩控制誤差≤5%Tn(Tn為額定轉(zhuǎn)矩)，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)時(shí)間＜0.3ms。(2)具有沿最大轉(zhuǎn)矩電流(maximumtorqueperampere，MTPA)曲線開始控制到沿電流圓弱磁進(jìn)入弱磁二區(qū)，再沿最大轉(zhuǎn)矩電壓(maximumtorquepervolt，MTPV)曲線進(jìn)入弱磁三區(qū)的深度弱磁控制技術(shù)，如圖5所示。采用死區(qū)補(bǔ)償技術(shù)有效抑制電壓源逆變器零電流箝位效應(yīng)，如圖6所示，有效改善電機(jī)的低速性能［7］;采用一種具有預(yù)測(cè)功能的抗積分飽和速度PI控制器，電流調(diào)節(jié)更加快速、無超調(diào);實(shí)現(xiàn)了電壓解耦，高速性能更加穩(wěn)定［8］。此外，還具備系統(tǒng)自檢、參數(shù)在線整定、故障診斷、軟件保護(hù)、CAN通信和上位機(jī)功能。實(shí)驗(yàn)用電機(jī)參數(shù)如表1所示，實(shí)驗(yàn)中基速為600r/min，進(jìn)入三區(qū)弱磁最高轉(zhuǎn)速4000r/min。圖5永磁同步電機(jī)工作區(qū)域和全區(qū)控制實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖6 死區(qū)補(bǔ)償前后電機(jī)相電流波形和頻譜全數(shù)