论文部分内容阅读
摘 要：在纯电动汽车动力性经济性仿真分析时，需要导入试验室测得的电机效率MAP与外特性参数。但在设计开发阶段，电机的参数是待确定量，只有电机选型确定以后，才能进入仿真阶段。本文通过研究普通永磁同步电机的MAP及其外特性的规律，找到一种用少量参数近似估算实际电机MAP与其外特性的方法，以满足电动汽车在设计开发阶段的需求。
关键词：电机MAP；电机外特性；动力性经济性设计
中图分类号：TM301.4 文献标识码：A 文章编号：1005-2550（2018）04-0035-05
Abstract： In the simulation analysis of the power performance of the pure electric vehicle， the motor efficiency MAP and the external characteristic parameters measured in the laboratory should be imported. But in the design and development stage， the motor parameters are to be assured quantitative， only after the motor type is determined， can enter the simulation stage. In this paper， through the research of common permanent magnet synchronous motor MAP and its external characteristic rules， find an approximate method to estimate the actual motor MAP and its behavior with a small amount of parameters， in order to meet the demand for electric vehicles in the design and development stage.
Key Words： MAP motor； motor characteristics； dynamic economic design
前 言
电机驱动系统是电动车发展的关键技术之一。由于永磁同步电机具有功率密度大、功率因数大、效率高等优点，已成为电驱动技术发展中的一个重要研究方向。随着研究的不断深入和电机性能的提高以及车载能源技术和动力控制系统的近一步发展，永磁同步电机将会有更广阔的应用前景[1]。
电机效率MAP 图（又叫等高线图、云图）是电机测试时生成的一种数据曲线图，主要是反映在不同转速、扭矩下的电机效率分布情况，在电动汽车用永磁电机的设计中，电机的效率分布区域以及高效区占总运行区域的比例非常重要[2]。内置式永磁同步电机及其控制器作为电动汽车的动力源，它的系统效率MAP及外特性直接关系到整车的运行性能：效率MAP关系到整车的能耗；外特性的峰值转矩关系到整车的加速性能；外特性的堵转扭矩关系到整车的起步性能[3]。
目前，研究永磁同步电机MAP与电机外特性的方向主要有理论推导[4]、仿真分析[5]、试验测试[6，7]三种方法。在新能源汽车行业中，获取电机MAP与外特性参数后，主要应用于整车动力性经济性仿真与匹配设计[8]。
本文的研究方向是：探索永磁同步电机的MAP及其外特性的普遍规律，使用若干个近似表达MAP与外特性的参数，构建电机的黑箱模型。只关注机械能与电能的总输入输出，不关注电机内部漏磁损耗与铜损耗等细节。该模型应用于电动汽车设计早期的电机初步选型工作中。
1 永磁同步电机MAP与外特性现有描述方式简介
目前，中国的新能源电动汽车主要使用永磁同步电机，而美国欧洲则使用异步电机。由于我国掌握丰富的稀土资源，材料成本较低，且永磁同步电机能量密度与效率方面都表现优异。因此，本文主要研究永磁同步电机的效率MAP及其外特性。
本文通过对某款电机的MAP及其外特性试验结果进行研究，获得参数化电机MAP与外特性表述方法。本文试验数据来源于浙江合众新能源汽车有限公司试验室。
1.1 永磁同步电机MAP
永磁同步电机效率比较高，通常的参数化表述为：在其工作区域中，效率≥90%的区域面积占总工作区域面积的85%以上。最高效率点高达95%～97%.试验设计中，测试每个转速与扭力的输出下，对应的电机系统效率。获得的参数表如表1所示，包含驱动与发电两部分MAP数据。
因为实验资源有限，而电机MAP变化率并不剧烈，因此，通常每隔500～1000rpm，每隔10～20Nm测试一个点，形成离散分布的MAP数据表，再通过数据插值处理，制作成登高线图，不同的差值方法会对精度有一些影响，兼顾精度与滤波，本文使用局部最小二乘法二次曲面拟合插值。MAP数据表处理结果如图1所示。
1.2 永磁同步電机外特性
通常情况下，电动汽车行业关心的永磁同步电机的外特性主要有三个：最大扭力Tmax，最大功率Pmax，最大转速nmax。理论上电机的外特性在n-T-η图中，是一段直线段与一段反比例函数线，而实验室测得的电机外特性则稍有波动。
2 永磁同步电机外特性参数化描述
在纯电动汽车领域，我们分析永磁同步电机的外特性时，不仅关心其峰值转速、峰值功率、峰值扭力，还要在允用5min过载线考核汽车的长爬坡能力，允用30min过载线考核汽车的30min最高车速，额定功率过载线考核汽车的持续工作能力。
2.1 瞬时输出外特性 表现汽车动力性参数最关键的指标是100km/h加速时间或者50km/h加速时间。加速时间除了与车轮滚阻、汽车外形特征决定的空气阻力、汽车的车身重量等阻力因素有关之外，最关键的是电动机的外特性表现。粗略的电动汽车外特性是由一段恒扭力与一段恒功率来描述，但实际的外特特性，则在最高车速时，输出的功率与峰值功率之间有一个比值，电机输出的功率是逐渐下降而在最后趋于平稳的过程。为此，在计算汽车加速时间时，需要对电机的峰值功率恒功率段曲线修正，将恒功率段修正为二次函数，如图2所示，修正系数如下：
解（1）式获得待定系数，对应于图2、图3中的修正外特性，如图中点划线所示。
电机峰值功率与最高转速下的最大功率的比值通常在0.6～0.99之间，本文称之为峰值功率修正系数rmax。如图1所示的修正加速性能理论线，修正系数取值为0.9。
2.2 允用5min与30min输出与额定输出外特性
永磁同步电机随着工作功率的增加，发热量也会增加。峰值功率通常只能过载30s，之后会因为电机过热而被限制功率。而汽车爬长坡时，通常使用5min功率过载线；汽车能够持续30min平均的最高車速，使用电机允用30min过载线。标准《GB/T 18385-2005 电动汽车动力性能试验方法》规定了汽车爬坡能力与30min最高车速的试验方法[9]。
这几条特性与电机的峰值功率特性之间存在近似比值的关系：峰值功率>修正峰值功率>允用5min过载线>允用30min过载线>额定功率线。如图2、图3所示。
各系数取值范围、定义及动力性设计时默认取值如表2所示：
3 永磁同步电机MAP及其参数化
永磁同步电机的MAP特性与众多因素有关，包括硅钢片的疏密度、永磁材料的电磁特性、电机本身的扁平率等等。精细化的永磁同步电机设计通常使用有限元电磁仿真方法，在电机测试台架上验证。但在电机正向开发设计阶段，电机的MAP特性只能根据已有经验做估算。估算方法主要有平均效率法和比例缩放MAP法。
3.1 平均效率法
电机MAP在仿真中主要应用于电动汽车续驶里程的计算，该续驶里程通常以NEDC工况作为参考。如图4所示某汽车在NEDC工况下在电机MAP上的取值。
计算得η=88.85%，即为永磁同步电机等效MAP的平均效率。
3.2 比例缩放MAP法
图1是典型的永磁同步电机效率MAP图，对于不同的电机，最高转速与峰值功率将有所变化，但效率MAP分布规律总是接近于图1所示分布。最高效率的区域位置将由电机设计者通过电机的凸极率、磁夹角等参数做微调。为此，可以近似认为，不同永磁同步电机MAP分布是按照图1所示沿着转速方向与扭力方向等比例缩放的。例如，某款电机的最高转速是8000rpm，峰值功率是60kW，通过等比例缩放，得其MAP与外特性如图5所示：
4 参数化数据与实测数据对比
永磁同步电机的MAP与外特性有三种途径获得，不同途径在电机设计开发阶段有着不同的作用。其精度及结果获取的便捷性对比如表3所示。
在浙江合众新能源汽车有限公司试验室中，测得某款电机选型阶段所选择的参数与实测参数对比如表4所示。
5 结 论
本文通过研究永磁同步电机的MAP以及外特性，提出了一种对不同永磁同步电机实现参数化描述的方法。并提供了这些参数的建议取值范围与通用默认值。该方法应用于电动汽车初步设计时对电机的初步选型。
参考文献：
[1]彭海涛，何志伟，余海阔. 电动汽车用永磁同步电机的发展分析[J]. 微电机，2010，43（06）：78-81.
[2]王昕，何冲，杨云峰. 基于MATLAB的电动汽车用永磁同步电机的效率MAP计算[J].时代农机，2015，42（02）：37-38.
[3]吴诗宇，史瑞祥.电动汽车用永磁同步电机及其控制器外特性的研究[J].微电机，2015，48（11）：67-70.
[4]王军年，刘健，初亮，王庆年，吴坚.电动汽车驱动电机结构参数优化设计[J].交通运输工程学报，2016，16（06）：72-81.
[5]张红生，吴炳娇.永磁同步电机电机本体数学模型在MATLAB下的仿真[J].自动化与仪器仪表，2012，（02）：134-135 138.
[6]张俊杰，文学洙.一种新型电机输出外特性测试装置的设计[J].机械工程师，2016，（11）：52-54.
[7]张奇，李珂，张承慧，孙静，邢国靖，刘旭东. 电动汽车用永磁同步电机特性试验设计与研究[J]. 实验室研究与探索，2015，34（10）：47-50 58.
[8]王天利，于瀛霄，张大明.基于MAP图的微型电动汽车驱动电机匹配研究[J].农业装备与车辆工程，2013，51（07）：17-20.
[9]GB/T 18385-2005 电动汽车动力性能试验方法.
关键词：电机MAP；电机外特性；动力性经济性设计
中图分类号：TM301.4 文献标识码：A 文章编号：1005-2550（2018）04-0035-05
Abstract： In the simulation analysis of the power performance of the pure electric vehicle， the motor efficiency MAP and the external characteristic parameters measured in the laboratory should be imported. But in the design and development stage， the motor parameters are to be assured quantitative， only after the motor type is determined， can enter the simulation stage. In this paper， through the research of common permanent magnet synchronous motor MAP and its external characteristic rules， find an approximate method to estimate the actual motor MAP and its behavior with a small amount of parameters， in order to meet the demand for electric vehicles in the design and development stage.
Key Words： MAP motor； motor characteristics； dynamic economic design
前 言
电机驱动系统是电动车发展的关键技术之一。由于永磁同步电机具有功率密度大、功率因数大、效率高等优点，已成为电驱动技术发展中的一个重要研究方向。随着研究的不断深入和电机性能的提高以及车载能源技术和动力控制系统的近一步发展，永磁同步电机将会有更广阔的应用前景[1]。
电机效率MAP 图（又叫等高线图、云图）是电机测试时生成的一种数据曲线图，主要是反映在不同转速、扭矩下的电机效率分布情况，在电动汽车用永磁电机的设计中，电机的效率分布区域以及高效区占总运行区域的比例非常重要[2]。内置式永磁同步电机及其控制器作为电动汽车的动力源，它的系统效率MAP及外特性直接关系到整车的运行性能：效率MAP关系到整车的能耗；外特性的峰值转矩关系到整车的加速性能；外特性的堵转扭矩关系到整车的起步性能[3]。
目前，研究永磁同步电机MAP与电机外特性的方向主要有理论推导[4]、仿真分析[5]、试验测试[6，7]三种方法。在新能源汽车行业中，获取电机MAP与外特性参数后，主要应用于整车动力性经济性仿真与匹配设计[8]。
本文的研究方向是：探索永磁同步电机的MAP及其外特性的普遍规律，使用若干个近似表达MAP与外特性的参数，构建电机的黑箱模型。只关注机械能与电能的总输入输出，不关注电机内部漏磁损耗与铜损耗等细节。该模型应用于电动汽车设计早期的电机初步选型工作中。
1 永磁同步电机MAP与外特性现有描述方式简介
目前，中国的新能源电动汽车主要使用永磁同步电机，而美国欧洲则使用异步电机。由于我国掌握丰富的稀土资源，材料成本较低，且永磁同步电机能量密度与效率方面都表现优异。因此，本文主要研究永磁同步电机的效率MAP及其外特性。
本文通过对某款电机的MAP及其外特性试验结果进行研究，获得参数化电机MAP与外特性表述方法。本文试验数据来源于浙江合众新能源汽车有限公司试验室。
1.1 永磁同步电机MAP
永磁同步电机效率比较高，通常的参数化表述为：在其工作区域中，效率≥90%的区域面积占总工作区域面积的85%以上。最高效率点高达95%～97%.试验设计中，测试每个转速与扭力的输出下，对应的电机系统效率。获得的参数表如表1所示，包含驱动与发电两部分MAP数据。
因为实验资源有限，而电机MAP变化率并不剧烈，因此，通常每隔500～1000rpm，每隔10～20Nm测试一个点，形成离散分布的MAP数据表，再通过数据插值处理，制作成登高线图，不同的差值方法会对精度有一些影响，兼顾精度与滤波，本文使用局部最小二乘法二次曲面拟合插值。MAP数据表处理结果如图1所示。
1.2 永磁同步電机外特性
通常情况下，电动汽车行业关心的永磁同步电机的外特性主要有三个：最大扭力Tmax，最大功率Pmax，最大转速nmax。理论上电机的外特性在n-T-η图中，是一段直线段与一段反比例函数线，而实验室测得的电机外特性则稍有波动。
2 永磁同步电机外特性参数化描述
在纯电动汽车领域，我们分析永磁同步电机的外特性时，不仅关心其峰值转速、峰值功率、峰值扭力，还要在允用5min过载线考核汽车的长爬坡能力，允用30min过载线考核汽车的30min最高车速，额定功率过载线考核汽车的持续工作能力。
2.1 瞬时输出外特性 表现汽车动力性参数最关键的指标是100km/h加速时间或者50km/h加速时间。加速时间除了与车轮滚阻、汽车外形特征决定的空气阻力、汽车的车身重量等阻力因素有关之外，最关键的是电动机的外特性表现。粗略的电动汽车外特性是由一段恒扭力与一段恒功率来描述，但实际的外特特性，则在最高车速时，输出的功率与峰值功率之间有一个比值，电机输出的功率是逐渐下降而在最后趋于平稳的过程。为此，在计算汽车加速时间时，需要对电机的峰值功率恒功率段曲线修正，将恒功率段修正为二次函数，如图2所示，修正系数如下：
解（1）式获得待定系数，对应于图2、图3中的修正外特性，如图中点划线所示。
电机峰值功率与最高转速下的最大功率的比值通常在0.6～0.99之间，本文称之为峰值功率修正系数rmax。如图1所示的修正加速性能理论线，修正系数取值为0.9。
2.2 允用5min与30min输出与额定输出外特性
永磁同步电机随着工作功率的增加，发热量也会增加。峰值功率通常只能过载30s，之后会因为电机过热而被限制功率。而汽车爬长坡时，通常使用5min功率过载线；汽车能够持续30min平均的最高車速，使用电机允用30min过载线。标准《GB/T 18385-2005 电动汽车动力性能试验方法》规定了汽车爬坡能力与30min最高车速的试验方法[9]。
这几条特性与电机的峰值功率特性之间存在近似比值的关系：峰值功率>修正峰值功率>允用5min过载线>允用30min过载线>额定功率线。如图2、图3所示。
各系数取值范围、定义及动力性设计时默认取值如表2所示：
3 永磁同步电机MAP及其参数化
永磁同步电机的MAP特性与众多因素有关，包括硅钢片的疏密度、永磁材料的电磁特性、电机本身的扁平率等等。精细化的永磁同步电机设计通常使用有限元电磁仿真方法，在电机测试台架上验证。但在电机正向开发设计阶段，电机的MAP特性只能根据已有经验做估算。估算方法主要有平均效率法和比例缩放MAP法。
3.1 平均效率法
电机MAP在仿真中主要应用于电动汽车续驶里程的计算，该续驶里程通常以NEDC工况作为参考。如图4所示某汽车在NEDC工况下在电机MAP上的取值。
计算得η=88.85%，即为永磁同步电机等效MAP的平均效率。
3.2 比例缩放MAP法
图1是典型的永磁同步电机效率MAP图，对于不同的电机，最高转速与峰值功率将有所变化，但效率MAP分布规律总是接近于图1所示分布。最高效率的区域位置将由电机设计者通过电机的凸极率、磁夹角等参数做微调。为此，可以近似认为，不同永磁同步电机MAP分布是按照图1所示沿着转速方向与扭力方向等比例缩放的。例如，某款电机的最高转速是8000rpm，峰值功率是60kW，通过等比例缩放，得其MAP与外特性如图5所示：
4 参数化数据与实测数据对比
永磁同步电机的MAP与外特性有三种途径获得，不同途径在电机设计开发阶段有着不同的作用。其精度及结果获取的便捷性对比如表3所示。
在浙江合众新能源汽车有限公司试验室中，测得某款电机选型阶段所选择的参数与实测参数对比如表4所示。
5 结 论
本文通过研究永磁同步电机的MAP以及外特性，提出了一种对不同永磁同步电机实现参数化描述的方法。并提供了这些参数的建议取值范围与通用默认值。该方法应用于电动汽车初步设计时对电机的初步选型。
参考文献：
[1]彭海涛，何志伟，余海阔. 电动汽车用永磁同步电机的发展分析[J]. 微电机，2010，43（06）：78-81.
[2]王昕，何冲，杨云峰. 基于MATLAB的电动汽车用永磁同步电机的效率MAP计算[J].时代农机，2015，42（02）：37-38.
[3]吴诗宇，史瑞祥.电动汽车用永磁同步电机及其控制器外特性的研究[J].微电机，2015，48（11）：67-70.
[4]王军年，刘健，初亮，王庆年，吴坚.电动汽车驱动电机结构参数优化设计[J].交通运输工程学报，2016，16（06）：72-81.
[5]张红生，吴炳娇.永磁同步电机电机本体数学模型在MATLAB下的仿真[J].自动化与仪器仪表，2012，（02）：134-135 138.
[6]张俊杰，文学洙.一种新型电机输出外特性测试装置的设计[J].机械工程师，2016，（11）：52-54.
[7]张奇，李珂，张承慧，孙静，邢国靖，刘旭东. 电动汽车用永磁同步电机特性试验设计与研究[J]. 实验室研究与探索，2015，34（10）：47-50 58.
[8]王天利，于瀛霄，张大明.基于MAP图的微型电动汽车驱动电机匹配研究[J].农业装备与车辆工程，2013，51（07）：17-20.
[9]GB/T 18385-2005 电动汽车动力性能试验方法.